Exp Mol Med｜SIRT6调控色氨酸代谢改善胎儿生长受限认知障碍

胎儿生长受限（fetal growth restriction, FGR）是一种主要的围产期并发症，影响约5%的妊娠，并与子代终生认知缺陷密切相关。流行病学证据表明，FGR后代在儿童期至成年期持续表现出学习记忆障碍、智商降低与学业困难；然而，其分子机制尚不明确。同济大学生命科学与技术学院康久鸿团队在 Experimental & Molecular Medicine 发表研究"Targeting the SIRT6–TDO2/KYNA–mTOR axis rescues synaptic and cognitive deficits in fetal growth restriction offspring"，揭示海马兴奋性神经元中SIRT6缺失通过上调TDO2/KYNA轴抑制mTOR信号通路，导致突触功能障碍与认知缺陷。该研究首次建立了FGR代谢失调、表观遗传重编程与认知损伤之间的分子桥梁，并证明神经元特异性SIRT6过表达可逆转FGR小鼠的突触与认知缺陷。

南模生物为该研究提供了CaMKIIα-Cre小鼠模型。

领域背景与科学问题

胎儿生长受限的主要病因是胎盘功能不全导致的胎儿营养与氧供不足，提示代谢失调在FGR诱导的慢性疾病中具有核心作用。海马突触丢失与功能障碍是FGR相关认知缺陷的神经病理学标志。突触可塑性这一学习记忆的神经生物学基础，受到表观遗传机制的严密调控。NAD⁺依赖的去乙酰化酶家族SIRT1–SIRT7通过调控染色质结构与基因转录，同时调节代谢稳态与认知功能。其中，核富集的SIRT6尤为引人关注：其缺失导致小鼠出生后生长迟缓与体重下降，人类SIRT6双等位基因失活突变可重现FGR表型。SIRT6调控神经元分化与神经发育，其功能缺失在灵长类动物中诱发神经发育缺陷，而过表达则增强小鼠神经发生。然而，SIRT6是否在FGR诱导的神经异常中发挥关键作用、其调控突触可塑性的机制以及代谢失调如何导致FGR子代认知障碍，仍未阐明。

图. 在胎儿生长受限（FGR）小鼠模型中，海马谷氨酸能神经元中的SlRT6表达显著下调

FGR小鼠海马兴奋性神经元SIRT6表达显著降低

研究采用孕期低蛋白饮食（8%蛋白）建立FGR小鼠模型。FGR小鼠在出生后第1天（PD1）体重与体长显著降低，成年后（8周龄）在新物体识别（NOR）与新位置识别（NLR）测试中表现出识别记忆缺陷。qPCR分析显示FGR小鼠海马Sirt6 mRNA水平降低44.36%，而其他sirtuin同工型无变化；Western blot证实SIRT6蛋白表达下降50.98%。关键的是，海马SIRT6水平与认知表现呈显著正相关（NOR: r = 0.9432, P < 0.0001; NLR: r = 0.8828, P = 0.0001）。细胞定位分析显示SIRT6主要表达于CaMKIIα⁺兴奋性神经元（共表达率89.93 ± 0.77%），在胶质细胞（Iba1⁺小胶质细胞24.11 ± 2.48%、GFAP⁺星形胶质细胞10.65 ± 1.78%）与神经前体细胞（SOX2⁺细胞33.16 ± 1.88%）中表达极少。定量免疫荧光进一步证实FGR小鼠CaMKIIα⁺神经元中SIRT6强度显著降低。这些结果表明FGR诱导的认知缺陷与谷氨酸能神经元特异性SIRT6降低密切相关。

兴奋性神经元特异性SIRT6缺失重现FGR认知表型

为验证谷氨酸能神经元SIRT6在认知功能中的因果作用，研究团队构建了Sirt6条件性敲除（cKO）小鼠（Sirt6 flox/flox × CaMKIIα-Cre）。基因型鉴定与区域qPCR分析显示海马Sirt6 mRNA降低68.3%、皮层降低54.7%，小脑表达不变，符合CaMKIIα启动子特异性。免疫印迹证实海马SIRT6蛋白降低66.0%、皮层降低68.4%，小脑表达完整。行为学测试显示Sirt6 cKO小鼠在NOR与NLR任务中识别指数与识别比例均显著下降；Morris水迷宫测试中穿台次数减少、目标象限停留时间缩短，而游泳速度无差异。旷场与高架十字迷宫测试排除了运动与情绪偏倚，且表型无性别差异。这些结果证明兴奋性神经元Sirt6缺失导致海马依赖性学习记忆缺陷。

SIRT6缺失损害海马突触可塑性

Golgi染色显示Sirt6 cKO小鼠CA1锥体神经元树突总长度与分支数在顶树突与基树突均显著减少，Sholl分析证实树突复杂度降低。树突棘密度在顶树突与基树突均显著下降，伴随成熟棘比例减少、丝状伪足比例不变、其他未成熟棘类型比例增加。透射电镜揭示CA1突触超微结构异常，包括突触后致密物质（PSD）厚度变薄与突触囊泡数量减少。电生理记录显示尽管θ簇刺激在两组均诱导长时程增强（LTP），但cKO切片中场兴奋性突触后电位（fEPSP）幅度显著降低，提示突触可塑性受损。体外培养的海马神经元中Sirt6敲低同样显著降低树突总长度、分支数、复杂度、突触密度及功能性突触（Synapsin1⁺PSD95⁺突触点）比例。这些体内外证据共同证明SIRT6对于维持兴奋性海马神经元的树突形态发生与突触可塑性至关重要。

SIRT6通过去乙酰化酶活性而非ADP-核糖基转移酶活性调控突触可塑性与认知

为解析SIRT6神经保护作用的酶学基础，研究构建了四种催化突变体：G60A突变体仅保留去乙酰化酶活性，R65A突变体保留单ADP-核糖基转移酶活性，S56Y与H133Y变体催化失活。Western blot证实仅G60A降低H3K9ac水平，而R65A、S56Y与H133Y无活性。在SIRT6敲低神经元中，仅SIRT6野生型与G60A恢复树突长度、分支数、复杂度、突触密度及功能性突触比例，而R65A、S56Y与H133Y无救赎效应，表明去乙酰化酶活性对树突发育与突触发生至关重要。体内验证采用CaMKIIα驱动的AAV载体在Sirt6 cKO小鼠海马兴奋性神经元中选择性过表达SIRT6野生型或R65A。Golgi染色显示SIRT6过表达完全救赎树突长度、分支数、复杂度、棘密度及成熟棘比例，而R65A无效。行为学上，SIRT6恢复NOR测试中的识别指数与比例，改善Morris水迷宫中穿台次数与目标象限停留时间，而R65A无益处。值得注意的是，SIRT6在野生型小鼠中过表达并未进一步增强树突发育、突触密度或认知表现，提示SIRT6以生理约束方式发挥功能。这些结果表明SIRT6的去乙酰化酶活性而非其ADP-核糖基转移酶功能，对维持海马兴奋性神经元的树突结构、突触可塑性与认知能力至关重要。

TDO2是SIRT6-H3K9去乙酰化调控突触与认知功能的关键下游靶点

为鉴定SIRT6下游靶点，研究对成年Sirt6 cKO小鼠及同窝对照海马进行RNA测序。SIRT6缺失导致222个基因上调、156个基因下调（阈值：FDR < 0.05, |fold change| ≥ 1.5）。GO富集分析显示上调基因主要定位于谷氨酸能突触、树突与突触后膜，富集离子转运、突触传递、细胞粘附与色氨酸（TRP）分解代谢；下调基因富集于细胞核、质膜与线粒体隔室，参与信号转导、血管生成与ATP生物合成。KEGG通路分析显示上调基因显著富集于TRP代谢、钙信号与神经活性配体-受体相互作用，下调基因关联转化生长因子-β信号。基因集富集分析（GSEA）显示氨基酸代谢通路显著富集，其中TRP分解代谢基因Tdo2达到最高富集分数（P = 0.0114, NES = 1.7558）。qPCR证实Sirt6 cKO小鼠海马Tdo2 mRNA显著上调。免疫印迹显示TDO2蛋白与H3K9ac上调，而H3K56ac无变化，提示SIRT6是海马兴奋性神经元中H3K9ac的主要去乙酰化酶。值得注意的是，其他TRP-犬尿氨酸通路（KP）酶包括Ido1、Ido2及小鼠主要KYNA合成酶（KAT2与KAT4）表达不变。这一特异性上调Tdo2的现象提示SIRT6调控的精确调节机制。

ChIP-qPCR分析显示SIRT6缺失特异性增强启动子区域2–4（但非远端区域1）的H3K9ac（而非H3K56ac）、糖皮质激素受体（GR）结合与RNA聚合酶II（RNAPII）募集，表明SIRT6缺失通过增加H3K9ac促进GR结合与RNAPII募集，从而增强Tdo2转录。为验证TDO2是否介导SIRT6依赖性突触损伤与认知缺陷，研究以脑穿透性TDO2抑制剂680C91连续6周处理Sirt6 cKO小鼠。Golgi染色显示680C91恢复Sirt6 cKO CA1神经元的树突长度、分支数、复杂度、棘密度及成熟棘比例。行为学上，680C91处理的Sirt6 cKO小鼠在NOR、NLR与Morris水迷宫测试中认知表现恢复至野生型水平。这些数据将TDO2定位为SIRT6介导的突触功能障碍与认知功能的关键效应分子。

SIRT6–TDO2–KYNA轴通过抑制mTOR通路破坏突触可塑性

TRP经TDO2代谢生成犬尿氨酸（KYN），后者是神经活性代谢物犬尿氨酸（KYNA）的关键前体。Sirt6 cKO海马KYN与KYNA水平显著升高，经TDO2抑制剂680C91处理后恢复正常，证实TDO2过度活跃驱动神经毒性代谢物积累。鉴于mTOR信号级联在代谢感知与突触可塑性及认知所需的蛋白质合成中具有核心作用，研究探讨改变的TRP代谢是否通过抑制mTOR通路介导SIRT6缺失的效应。Sirt6 cKO转录组GSEA显示mTOR信号通路显著下调（P = 0.0420, NES = 1.5232）。免疫印迹显示Sirt6缺失降低AKT（Ser473）、mTOR（Ser2448）与p70S6K1（Thr389）磷酸化，这些效应均被680C91救赎。在原代海马神经元中，KYNA降低树突长度与分支、减弱复杂度，这些异常均被mTOR激动剂MHY1485救赎，表明KYNA通过mTOR抑制损害树突发育。体内腹腔注射MHY1485处理Sirt6 cKO小鼠4周恢复海马p-mTOR、p-p70S6K1及突触后蛋白GluA1与PSD95水平。Golgi染色证实MHY1485改善树突长度、分支数、复杂度、棘密度及成熟棘比例至野生型水平。行为学上，MHY1485增强Sirt6 cKO小鼠在NOR、NLR与Morris水迷宫测试中的表现。这些结果表明SIRT6缺失导致TDO2介导的KYNA积累，后者抑制mTOR信号，从而损害突触结构与认知功能。

神经元TDO2抑制通过恢复mTOR信号救赎SIRT6缺失诱导的损伤

免疫荧光染色显示TDO2、KAT2与KAT4在海马CaMKIIα⁺神经元中表达。SIRT6缺失特异性上调TDO2表达，而KAT2与KAT4不变。功能上，神经元SIRT6敲低降低树突长度、分支与复杂度；TDO2抑制完全救赎这些形态学缺陷，而mTOR抑制剂雷帕霉素阻断该救赎。相反，mTOR激动剂MHY1485在SIRT6敲低情况下恢复正常形态，证实神经元SIRT6/TDO2/mTOR调控轴。体内验证采用CaMKIIα启动子驱动的TDO2敲低AAV病毒立体定位注射Sirt6 cKO小鼠海马CA1区，联合雷帕霉素处理。qPCR证实TDO2高效敲低且IDO1/IDO2无代偿性变化。ELISA显示神经元TDO2敲低完全逆转SIRT6缺失诱导的海马KYN/KYNA升高，该效应不受雷帕霉素影响。SIRT6缺失还降低mTOR通路蛋白磷酸化与突触标志物；神经元TDO2敲低救赎这些缺陷，而雷帕霉素共处理重新抑制其表达。行为学上，Sirt6 cKO小鼠的学习记忆缺陷被神经元Tdo2敲低逆转，而雷帕霉素共给药完全阻断该救赎。机制上，KYNA通过抑制NMDA受体（NMDAR）功能、减少钙内流，从而抑制依赖磷酸化的AKT/mTOR通路激活。在SIRT6敲低神经元中，TDO2抑制剂处理救赎树突缺陷、钙信号受损与mTOR磷酸化降低，该救赎被NMDAR拮抗剂MK-801完全阻断；添加NMDAR激动剂D-环丝氨酸（DCS）则有效恢复神经元形态、钙信号与通路活性。这些数据支持神经元特异性SIRT6/TDO2/KYNA/NMDAR/mTOR调控轴。

神经元SIRT6过表达救赎FGR诱导的突触与认知缺陷

最后，研究探讨兴奋性神经元特异性SIRT6过表达能否逆转FGR子代认知损伤。尽管Sirt6与Tdo2表达在E18.5无显著差异，但在出生后3周（P3W）FGR海马中Sirt6降低、Tdo2升高。研究选择P3W进行SIRT6靶向干预，使用CaMKIIα启动子驱动的AAV载体在FGR小鼠CA1区选择性过表达SIRT6。注射后4周，qPCR与Western blot证实FGR + AAV-Ctrl组SIRT6 mRNA与蛋白水平显著降低，而AAV-SIRT6给药后显著升高。机制上，FGR小鼠表现出海马TDO2 mRNA与蛋白表达升高以及下游代谢物KYN与KYNA升高，均被SIRT6过表达逆转。关键的是,海马KYNA水平与SIRT6表达呈强负相关（r = −0.7868, P = 0.0024），强化了SIRT6在TRP分解代谢中的门控作用。SIRT6恢复还救赎mTOR通路活性，增加p-AKT、p-mTOR与p-p70S6K1，以及突触蛋白GluA1与PSD95。Golgi分析显示FGR小鼠CA1神经元表现出显著树突异常，包括树突总长度降低32.42%、分支减少27.30%、树突复杂度下降、棘密度降低及成熟棘比例下降。SIRT6过表达显著逆转所有这些形态学缺陷。行为学上，SIRT6过表达使FGR小鼠在NOR与NLR测试中的识别指数与比例恢复至对照水平。此外，KYNA与NOR表现（r = −0.8453, P < 0.0001）及NLR表现（r = −0.7355, P = 0.0005）呈强负相关，确立KYNA为FGR小鼠SIRT6调控认知缺陷的生物标志物。这些数据证明兴奋性神经元SIRT6过表达足以通过抑制TDO2/KYNA并复活mTOR信号，对抗FGR诱导的突触与认知缺陷。

该轴为FGR诱导的认知障碍提供表观遗传-代谢-突触调控新靶点

本研究揭示了一条新的SIRT6–TDO2/KYNA–mTOR调控轴，从机制上连接FGR子代的代谢扰动与认知缺陷。FGR诱导的海马兴奋性神经元SIRT6缺失通过H3K9ac依赖的TDO2转录上调，使TRP代谢转向KYNA过度产生，后者通过拮抗NMDAR功能抑制AKT/mTOR/p70S6K1依赖的突触蛋白合成，导致FGR子代突触与认知缺陷。SIRT6靶向重表达在FGR后代中完全逆转这些缺陷，证明其充分性。研究不仅揭示SIRT6调控氨基酸代谢与神经功能的新机制，还阐明TRP代谢失调与FGR神经病理学中突触及认知缺陷之间的分子桥梁。KYNA在多种疾病（衰老、阿尔茨海默病、精神分裂症、新冠后认知功能障碍）中积累，且限制其大脑积累可有效缓解相关认知损伤，提示KYNA作为跨疾病神经毒性代谢物，为广谱认知障碍治疗提供新靶点。本研究首次证明KYNA过量导致mTOR抑制，且KYNA通过NMDAR抑制-钙流减少-AKT/mTOR磷酸化降低的轴线损害神经元形态与功能。鉴于该轴存在可及的药理学制剂（SIRT6激活剂MDL-800与NAD⁺前体、KYNA降低化合物加兰他敏与美金刚、mTOR通路增强剂NV-5138），未来研究有望为改善FGR相关认知损伤与提高长期生活质量铺平道路。该机制可能还在衰老、神经退行与精神疾病（SIRT6、KP代谢物或mTOR信号通路失调）中的认知功能障碍中发挥作用，提示其更广泛的生物学意义。

研究局限与展望

尽管本研究建立了SIRT6–TDO2/KYNA–mTOR轴在FGR认知缺陷中的因果作用，但SIRT6表观遗传调控TDO2的上游信号（如何感知FGR代谢应激）、KYNA积累的时间窗口与剂量-效应关系、以及不同脑区神经元亚型中该轴的异质性尚待阐明。此外，FGR模型的转化价值需在大动物模型与人类队列中进一步验证，药物干预的长期安全性与最佳时间窗口亦需系统评估。

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