食品界

黑枸杞可有效改善APPswE/PS1ΔE9小鼠模型，如Slc25a46敲除小鼠模型中的线粒体功能障碍

01 Introduction

人口老龄化是21世纪不可逆转的全球化趋势，中国作为一个发展中的人口大国，面临的老龄化问题格外严峻。据统计，2015年，中国65岁及以上的人口有1.44亿，预计到2050年将增加到3.66亿。积极应对人口老龄化问题，不仅是国家政府机构的职责，更应该成为全体社会力量的共同责任。衰老是一个生命过程，其特征是机体从物质组成、组织结构到生理功能的丧失和退化。它与多种疾病密切相关，有证据表明，65岁以上的人中有70%以上患有两种或两种以上的慢性病，如糖尿病、癌症、心脏病和阿尔茨海默病（AD）。长期以来，AD被认为是衰老的必然结果。目前，延缓衰老的方式包括有饮食和定期的锻炼，而且饮食成分可能涉及加速或抑制衰老和与衰老有关的疾病。因此，研究人员迫切需要寻找潜在食物来源的活性物质来预防、延缓或治疗衰老和衰老相关的疾病。

线粒体功能障碍被认为与衰老和与阿尔茨海默病密切相关。通过提高线粒体的质量来延缓衰老和衰老相关疾病是值得探索的共同之处。然而，线粒体相关疾病的不同小鼠模型在相同组织的线粒体形态上是否有相似的变化尚不清楚。此外，线粒体形态的相似性是否可以作为筛选和/或发现线粒体保护物质的合适指标仍然是未知的。因此，华南理工大学王敏博士、任娇艳教授等在本文先探讨两种不同的线粒体相关疾病的小鼠模型（新的线粒体外膜蛋白Slc25a46敲除小鼠和APP_SWE/PS1ΔE9转基因小鼠）是否具有相似的线粒体形态学特征，后以具有改善AD小鼠认知功能潜力的黑枸杞提取物为研究对象，研究其在线粒体损伤的Slc25a46^-/-小鼠模型中的功效。

02 Results and discussion

不同月龄的APP_SWE/PS1ΔE9小鼠脑组织的线粒体形态观察

用透射电镜观察1、7、10月龄野生型和APP_SWE/PS1ΔE9小鼠的脑区(小脑)超微结构：1月龄APP_SWE/PS1ΔE9小鼠与WT小鼠小脑线粒体形态无明显差异；然而，在7个月和10个月大时，WT和APP_SWE/PS1ΔE9小鼠在小脑线粒体的长度和形状上观察到一些显著的差异。统计数据显示，7月龄的APP_SWE/PS1ΔE9小鼠的细长线粒体数量显著增加(图B)；10月龄的APP_SWE/PS1ΔE9小鼠有大量形状不规则的大型线粒体，线粒体碎片增多和线粒体分裂环(图A，黄色箭头)。

图1 WT和APPSWE/PS1ΔE9小鼠小脑线粒体结构变化的TEM分析

Slc25a46基因敲除小鼠和APPSWE/PS1ΔE9转基因小鼠的线粒体形态观察及相关性分析

TEM镜下观察到：1.5月龄的Slc25a46基因敲除小鼠和10月龄的APP_SWE/PS1ΔE9小鼠的小脑组织线粒体显示出相似的损伤（包括线粒体肿胀、膜断裂和嵴丧失），这表明不同的线粒体相关疾病在线粒体形态学上具有相似的改变和缺陷。后进一步分析了两种小鼠模型中线粒体相关参数的相关性。回归分析显示1.5月龄的Slc25a46^-/-小鼠和7、10月龄APP_SWE/PS1ΔE9小鼠小脑组织的线粒体长度和宽度大致相似。上述这些发现可能为基于相同或相似的潜在机制探索许多疾病的共同靶点提供新的见解。重要的是，两种不同的小鼠模型的区别在于寿命：Slc25a46^-/-小鼠和APP_SWE/PS1ΔE9小鼠的寿命分别约为2和30个月。这意味着，与APP_SWE/PS1ΔE9小鼠相比，利用Slc25a46^-/-小鼠模型用于筛选具有改善线粒体功能的生物活性物质及探索线粒体相关疾病的潜在机制可以明显降低研究的成本和时间。总之，Slc25a46基因敲除小鼠不仅有助于理解衰老过程和潜在的线粒体介导机制，而且还为可能延缓衰老、衰老相关或线粒体相关疾病的干预提供了一个高效的动物模型。

图2 10月龄APPSWE/PS1ΔE9小鼠和1.5月龄Slc25a46^-/-小鼠小脑线粒体的差异

黑枸杞提取物具有改善Slc25a46^-/-小鼠表型的功效

多项研究表明，长期食用黑枸杞可改善认知功能，对神经退行性疾病具有神经保护作用。然而，它是否具有改善线粒体的功效仍不清楚。为了进一步验证Slc25a46基因敲除小鼠模型在筛选和发现潜在的改善线粒体生物活性物质作用的适用性，本文对黑枸杞提取物进行了研究。体重和行为学的结果表明，黑枸杞提取物能有效提高Slc25a46^-/-小鼠的肌力和体重，提示黑枸杞具有提高线粒体活性的潜力。

图3 L. ruthenicum提取物对模型小鼠行为学的改善

03 Conclusion

本研究通过两种不同的小鼠模型强调了线粒体形态学在不同线粒体相关疾病进展中的作用。研究发现，APP_SWE/PS1ΔE9转基因小鼠和Slc25a46基因敲除小鼠的线粒体改变相似，包括1.5月龄的Slc25a46^-/-小鼠和10月龄的APP_SWE/PS1ΔE9小鼠的小脑组织线粒体肿胀、膜断裂、嵴缺失。此外，与APP_SWE/PS1ΔE9小鼠相比，Slc25a46线粒体外膜蛋白基因敲除小鼠模型表现出更严重的线粒体损伤，从而导致更短的寿命、疲劳和肌肉萎缩无力。这表明Slc25a46^-/-小鼠模型可能具有成本效益和节省研究时间的优势。更重要的是，结果表明，黑枸杞可有效改善Slc25a46敲除小鼠的弱肌力和增加体重。这些结果为疾病背后的线粒体相关机制提供了深入的见解。这对于理解应用Slc25a46敲除小鼠模型筛选和验证具有线粒体保护功能的食源性物质的功能成分也具有重要意义。未来的工作应该着眼于研究这种与线粒体相关的新型小鼠模型的应用，在更大程度上帮助从其他食源性材料中发现生物活性物质。

第一作者简介

王敏，女，博士，助理研究员，现为华南理工大学食品科学与工程学院在站博士后，主要从事食源性活性成分（功能性大分子蛋白质、多糖和小分子多肽等）的分离纯化、制备、结构表征及生物活性（改善学习记忆、抗氧化、提高线粒体活性等）评价方面的研究工作，熟悉并掌握大分子物质的制备、结构表征及细胞生物学等方面技术。上述相关研究成果已在食品领域或生物领域的高水平SCI期刊上以第一作者或通讯作者身份发表论文9篇，共同通讯作者1篇，共同第一作者3篇（排第2），中文核心期刊论文2篇，非中文核心论文1篇，并参与多篇SCI及中文论文的发表；授权专利1项（导师第1，排第2）。主持中国博士后科学基金面上项目和广东省自然科学基金面上项目各1项，并参与国家重点研发计划专项、广东省协同创新项目、中央高校项目及企业委托项目等项目研究。

通信作者简介

任娇艳，女，华南理工大学食品科学与工程学院教授、博士生导师，现为第十二届中国青联委员、全国学校食品安全与营养健康工作专家组专家，担任学院食品营养与健康研究所副所长、中新国际联合研究院PI、国家杂粮工程技术中心神农特聘研究员。曾获教育部青年长江学者、教育部新世纪优秀人才、广东省“珠江学者”特聘教授、首批广东特支计划科技创新青年拔尖人才、广东省杰出青年基金获得者、广东省高等学校“千百十人才培养工程”培养对象等人才称号。主持包括国家863子课题两项、国家自然科学基面上及青年项目三项，国家重点研发项目子课题 1 项以及其他省部级以上项目近30项，参与省部级以上科研项目7项。主要从事食品营养与健康研究领域，在国际权威期刊等以第一/通讯作者发表SCI/EI论文81篇（包括JAMA（IF=51.27）、BMJ（IF=27.6）等TOP期刊），累计30篇文章被国际顶尖学术评价体系Semantic Scholar认定为高影响力引用文章，总引4731次，他引4625次，单篇最高引用269次，H-index为40。共6篇文章入选ESI高被引论文；1篇入选加拿大Global Medical Discovery关键科学文章。

Lycium ruthenicum Murr. treatment attenuates APPswE/PS1ΔE9 mouse model-like mitochondrial dysfunction in Slc25a46 knockout mouse model

Min Wang^a,1, Tianxiong Xu^a, Li Gao^a, Chujun Huang^a, Piao Xu^a, Congcong Gong^a, William Kwame Amakye^a, Linfeng Liao^a, Maojin Yao^b, Jiaoyan Ren^a,^*

^a School of Food Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

^b Guangzhou Institute of Respiratory Disease & China State Key Laboratory of Respiratory Disease, The First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510182, China

*Corresponding author.

Abstract

Mitochondrial dysfunction is proposed to be substantially associated with ageing and ageing-related diseases like Alzheimer’s disease (AD). However, it is unclear whether different mouse models with mitochondrial-related diseases have similar changes in mitochondrial morphology of the same tissues. Moreover, whether similarities in mitochondrial morphology can be a suitable marker for screening and/or discovering mitochondrial-protective substances remains unknown. Mitochondria morphology in different tissues of a novel mitochondrial outer membrane protein Slc25a46 knockout mouse and a traditional APPSWE/PS1ΔE9 transgenic mouse were examined using transmission electron microscope (TEM). Both young Slc25a46 knockout mice and aged APPSWE/PS1ΔE9 mice models showed similar mitochondrial damage in cerebellum tissues. The results indicated that different mitochondrial-related diseases shared similar alteration and defects in mitochondrial morphology. Furthermore, Lycium ruthenicum Murr. extract, a bioactive food substance with cognition-improving property, could effectively improve muscle strength and increase body weight in the Slc25a46 knockout mice. These findings suggest that mitochondrial morphology defects in mice models, particularly in the mitochondrial compartment, represent a unified and effective marker for screening and validating natural product-derived functional substances with mitochondrial protective properties. It also holds potential application in mitochondrial-impaired senile neurodegenerative diseases, especially in AD.

Reference:

WANG M, XU T X, GAO L, et al. Lycium ruthenicum Murr. treatment attenuates APPswE/PS1ΔE9 mouse model-like mitochondrial dysfunction in Slc25a46 knockout mouse model[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(5): 1618-1625. DOI:10.1016/j.fshw.2023.02.009.