热量限制与神经保护作用

赵静姝 王 蓉

(首都医科大学宣武医院中心实验室，北京市老年病医疗研究中心，神经变性病教育部重点实验室，北京 100053)

1 简介

热量限制(caloric restriction，CR)是指一种有计划地减少由食物提供的热量的进食方式，一般是指在生物体所摄入营养成分保证其不发生营养不良的情况下，将正常自由进食(ad libitum，AL)所得热量减去30%～50%。此概念最早由McCay C M等［1］于上世纪30年代提出，这种进食方式可以延长小鼠的平均寿命和最长寿命。过去几十年，CR的研究对象涵盖了从酵母到人类各个层面，CR的作用也已不再局限于延长寿命，而且可以延缓和预防某些与衰老相关疾病的发生或发展。CR能够提高神经系统功能的理论可以追溯到20多年前，最近越来越多的动物实验研究和流行病学数据也都表明CR帮助改善认知，预防各种神经系统疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病、癫痫等［2］。

之前有关CR对神经系统和认知功能的基础研究多数集中于对大鼠的研究，现在各种神经系统疾病的转基因小鼠模型已经成熟并被广泛应用。在前脑条件性PS1+PS2双敲除(PS conditional knock out，cDKO)小鼠模型中，长期CR可显著降低tau蛋白高度磷酸化并且改善认知功能［3］。对给予CR饮食的帕金森病灵长类动物模型的正电子发射断层显像(positron emission tomography，PET)和病理分析后，发现CR对行为学改善和神经保护作用是通过上调神经营养因子介导实现的［4］。但是亦有研究［5］显示通过对6-羟多巴胺造成的帕金森病(Parkinson disease，PD)模型小鼠进行热量限制并不能遏止黑质纹状体的退行性变。hexb基因敲除小鼠是Sandhoff病(SD)神经退行性病的模型，表现为炎性作用引起的运动失调，在给予CR饮食后可以观察到，与正常饮食组相比，转棒疲劳实验(rotarod)显著改善，寿命延长［6］。总之，越来越多的实验研究证实CR对多种神经系统疾病的动物模型具有改善作用。

2 神经保护作用机制

CR对神经的保护作用机制仍在研究中，这些研究机制包括改善线粒体功能，减少活性氧产生;提高代谢率，增加能量输出;调节基因表达，提高沉默调节蛋白sirtuin活性;提高具有神经保护作用因子的水平，如神经营养因子;降低促凋亡因子和炎性因子活性。

2.1 抗氧化

在氧化磷酸化过程中会产生低浓度的超氧阴离子自由基，当线粒体损伤后，如由于毒性损伤引起的细胞内钙离子超载，这时超氧阴离子自由基的水平就会上升;超氧化物随之转变成过氧化氢，对蛋白质、脂肪和DNA造成氧化应激损伤，导致神经系统疾病的发生。中风、脑外伤、脑缺氧或阿尔茨海默病等的病理中神经元缺失大部分是由谷氨酸兴奋毒性、钙超载、线粒体失调及氧化应激所导致的进一步损伤引起。

CR条件下可以观察到组织中过氧化脂质及蛋白羰基浓度降低，细胞核和线粒体中DNA损伤碱基也减少，而且Dubey A等［7］发现CR与脑中蛋白质氧化损伤有直接关系，这种损伤既可以诱导又可以恢复。关于CR的抗氧化作用有以下两个机制:首先一些研究［8］显示CR可以提高抗氧化酶的活性，如超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶和过氧化氢酶，但也有与此相反的报道［9］;第二，CR时可观察到线粒体的活性氧产量减少，尤其是在呼吸链复合物Ⅰ中。新的研究发现热量限制可以通过激活SIRT3，后者作为一种线粒体去乙酰化酶可将超氧化物歧化酶上两个关键的赖氨酸残留物去乙酰化，从而降低活性氧水平，降低氧化损伤［10］。

CR减少线粒体中活性氧(reactive oxygen species，ROS)产生的机制仍不明确，可能和解偶联蛋白(uncoupling proteins，UCPs)相关，UCPs横跨线粒体内膜，使得膜内的质子流入基质中，从而使电化学梯度与三磷酸腺苷(adenasine triphosphate，ATP)产生相分离。这种解偶联可以减少 ROS的产生［11］。而且UCPs活性提高可延长寿命并加强神经元对缺血、毒性外伤和癫痫损伤的抵抗力［12-13］。

2.2 提高代谢率

CR动物脑老化延缓最初被认为是源于代谢活性降低，从而减少了氧化代谢副产物ROS产生。研究显示热量限制和能量储存相关，从CR动物中分离出的线粒体与自由进食对照组相比，前者ATP产生减少，这和UCPs活性增高相一致［14］。但新近实验数据［11］表明，与线粒体分离后的结果相反，在完整肌细胞或体内试验时给予CR后ATP合成并没有减少。

近来的研究［15-16］显示，在整体水平上CR并没有降低机体的代谢水平，CR通过上调SIRT1(silent mating type information regulation 2 homolog 1)去乙酰化酶活性促进了线粒体增生，增加了呼吸链数量，线粒体活性增加，并促进UCPs的表达，从而在呼吸作用增强的状态下反而降低ROS的产生。

2.3 提高sirtuin活性

Sirtuin是调节基因表达的一大家族酶。第一个被发现的sirtuin是酵母中的沉默信息调节因子2(silence information regulator 2，Sir2)，属于Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶，该基因在哺乳动物中的同源基因为sirt(1-7)，其中SIRT1与CR关系密切，CR可以提高脑组织中SIRT1的表达。实验证实SIRT1激活具有神经保护作用，如SIRT1可以减少小鼠脑内的β淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)产生，主要是通过增强解整合素样金属蛋白酶10(A disintegrin and metalloprotease 10，ADAM10)基因的表达，该基因可促进淀粉样前体蛋白的α分泌酶的降解，而且ADAM10激活后还可以诱导Notch途径，此途径可以修复脑内的神经元损伤［17］，在体外实验中亦发现了“非ADAM10依赖途径”，即通过提高NAD+/NAM+比率，从而促进α分泌酶降解，从而降低Aβ产生［18］;提高SIRT1活性可以减缓华勒变性小鼠外周神经损伤带来的轴突变性［19］;SIRT1的天然激动剂白藜芦醇预处理后可以通过SIRT1-UCP2途径保护脑缺血引起的损伤［20］，也可减少亨廷顿病线虫和小鼠模型中的神经元失调和死亡，并对其周围神经的损害起到保护作用［21］。家族其他成员对神经系统的作用则有所不同，如SIRT1可抵抗低钾引起的神经元凋亡，而SIRT2、SIRT3和SIRT6则诱导健康的小脑颗粒神经元凋亡，而SIRT5则定位于该类细胞的细胞核与细胞质，产生保护作用［22］。

SIRT1具有广泛的去乙酰化酶活性。其靶点包括:肿瘤抑制因子P53、叉头转录因子FOXO(forkhead-type translation factors)、DNA修复蛋白Ku70、过氧化物酶体增殖物激活受体PPARγ(peroxisome proliferator-activated receptor γ)以及核转录因子(nuclear factor кB，NFкB)。SIRT1可以抑制成纤维细胞和肾小球系膜细胞因急性氧化应激损伤或DNA损伤而激活的P53依赖性细胞凋亡过程，但是在神经细胞中还没有发现SIRT1介导的P53去乙酰化过程。在小脑颗粒细胞、成纤维细胞和胚胎干细胞中，SIRT1均可去乙酰化FOXO3来抑制氧化应激和DNA损伤［23］。此外，SIRT1可以通过去乙酰化Ku70来抑制凋亡，使其与促凋亡因子 Bax分离［24］。

SIRT1介导PPARγ去乙酰化可延长寿命，主要是通过抑制脂肪细胞形成和减少脂肪贮备。PPARγ激动剂可降低局灶性脑缺血区基质金属蛋白酶-9活性以减轻神经元损伤［25］;缩小中脑血管闭塞后的梗死面积［26］;提高轻度到中度阿尔茨海默病人的认知功能［27］。

PPARγ最受关注的是其可以降低炎性因子表达的作用，这其中的抗炎作用就包括对抑制NFкB表达。但值得一提的是SIRT1也可以去乙酰化NFкB，因此SIRT1对 NFкB的抑制作用可能正好与随后SIRT1对PPARγ的抑制作用相抵消。但最终效果是否保护神经尚不得知，因为有研究表明NFкB激活可促进神经元存活［28］。

2.4 增强神经营养因子活性

胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)可改善年龄相关性空间记忆力下降，抑制老年大脑内过氧化氢的产生和Aβ诱导的神经元凋亡，促进神经元生长。而奇怪的是当动物和人体进行CR后发现IGF-1水平下降，IGF-1信号通路抑制与寿命延长相关［29-30］。

与对IGF-1的作用不同，CR可增强多个神经营养因子的表达，包括脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、神经营养蛋白-3、胶质细胞源性神经营养因子，在海马区最为明显。BDNF可促进CR动物胚胎神经元和成年海马祖细胞分化，提高突触可塑性及学习和记忆能力［31］。相反，富含精制糖和饱和脂肪酸的饮食则会降低海马区BDNF的水平，损伤空间记忆力，BDNF信号水平下降会引起食欲过盛、肥胖［32］。而且研究［33］显示 CR 可降低脑创伤大鼠模型的组织损伤及提高空间记忆力，主要与损伤周围区域和海马区BDNF水平的提高显著相关。另有研究［34］显示，在脊髓损伤后给予“隔天禁食”的热量限制方法，可观察到在禁食当天血中β-羟丁酸水平上升，BDNF受体在损伤区(损伤后5 d)和损伤区尾部(损伤后3周)水平上升2～6倍。

2.5 抗炎作用

衰老和各种神经系统疾病以多种炎性因子表达水平上调为特征，NFкB的激活是此炎性过程的重要分子。各种类型的损伤可激活NFкB，如活性氧、活性氮、Aβ，进而导致各个组织中白介素、肿瘤坏死因子、环氧合酶(cyclooxygenase-2，COX-2)和诱导性一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)转录增多，包括脑组织。

CR降低动物模型和人体NFкB表达水平，抑制白介素和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNFα)的合成，抑制COX-2和iNOS的活性［35］。在特定实验条件下，NFкB、白介素和TNF表现出神经保护作用和神经营养特性，包括促进神经纤维生长和祖细胞分化为神经元，这其中包括提高bndf基因表达［36］。此外还对老年早期的人群进行了CR研究，结果显示进行CR饮食的人群3个月后较之前言语记忆得分大幅度提高，这与高敏感性C反应蛋白水平下降，降低了炎性反应活性，提高了突触可塑性相关［37］。

3 展望

经过几十年的研究发展，CR的研究对象从酵母扩展到哺乳动物，甚至还对人类进行了一些有关CR的研究，CR的有利作用也从最初延长寿命的作用扩大到预防各种代谢病和老龄相关性疾病，包括神经系统疾病。随着人口老龄化的发展，对一些老年病的关注也日益加强，研究揭示的CR对各种神经系统疾病的有利作用也得到各方面的肯定，但是仍然存在一些矛盾之处，正确的机制还待进一步研究求证，毕竟真正的体内生理病理过程是十分复杂的。而且经过20多年对恒河猕猴的研究，也验证了之前在啮齿类动物身上发现的一些生理生化作用，至于对人类的作用是否也是这样，以及有无其他没有预见的不良作用，还需要进一步深入研究探讨，这将对人类生命和健康的发展有着重要的意义。

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