围绝经期雌二醇/孕酮失衡通过ERRα失调和能量稳态失衡增加阿尔茨海默病风险

《Nature Communications》：Perimenopausal state oestradiol to progesterone imbalance drives Alzheimer’s risk via ERRα dysregulation and energy dyshomeostasis

　　本研究针对女性阿尔茨海默病(AD)高发风险，揭示了围绝经期雌二醇(E2)/孕酮(P4)比例失衡通过破坏雌激素受体α(ERα)引导的神经元胆固醇稳态，导致雌激素相关受体α(ERRα)信号通路失调，进而引发线粒体功能异常、N-乙酰天冬氨酰谷氨酸(NAAG)代谢轴重编程和神经元兴奋性毒性增加的新机制。研究人员利用VCD诱导的加速卵巢衰竭(AOF)小鼠模型结合ROSMAP队列人脑数据，发现孕酮补充可恢复代谢稳态，为女性AD防治提供了新靶点。

　　

女性罹患阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)的风险显著高于男性，这种性别差异在绝经后尤为明显。尽管年龄是AD最主要的危险因素，但女性更长的寿命并不能完全解释其在围绝经期就开始出现的认知下降和更高的AD发病率。卵巢激素，特别是雌二醇(estradiol, E₂)和孕酮(progesterone, P₄)，在大脑功能中扮演着关键角色。围绝经期女性常出现E₂水平波动性升高而P₄水平显著降低的激素失衡状态，这种E₂:P₄比值的升高与记忆力减退和轻度认知障碍风险增加相关。然而，这种围绝经期激素变化如何增加女性AD易感性的分子机制尚不清楚。

发表在《Nature Communications》上的这项研究深入探讨了围绝经期激素失衡与女性AD风险之间的内在联系。研究人员发现，E₂:P₄比值升高会破坏大脑内一个关键的代谢调控网络。雌激素相关受体α(estrogen-related receptor alpha, ERRα)是这一过程的核心分子。ERRα是一种核受体，虽与雌激素受体α(estrogen receptor alpha, ERα)同源，但其内源性配体并非E₂，而是胆固醇。在神经元中，ERRα与其共激活因子PGC1α协同作用，调控线粒体能量代谢相关基因的表达，对维持神经元能量稳态至关重要。

为了模拟围绝经期状态，研究人员使用了4-乙烯基环己烯二环氧化物(4-vinylcyclohexene diepoxide, VCD)诱导的加速卵巢衰竭(accelerated ovarian failure, AOF)小鼠模型。该模型能很好地模拟人类围绝经期的激素变化特征，即早期出现E₂水平升高和/或P₄水平降低，导致E₂:P₄比值升高。研究表明，这种激素失衡会损害神经元胆固醇代谢，减少与ERRα结合的胆固醇水平，从而削弱ERRα-PGC1α信号通路的活性。这导致线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)功能受损，三羧酸(tricarboxylic acid, TCA)循环中断。为了补偿能量危机，神经元代谢通路发生重编程，其中N-乙酰天冬氨酰谷氨酸(N-acetyl-aspartyl-glutamate, NAAG)的分解代谢增强，以补充天冬氨酸和谷氨酸池。NAAG是一种神经肽，具有抑制N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDAR)的作用。其分解导致谷氨酸水平升高，增加了神经元的自发兴奋性突触后活动，从而提高了神经元的能量需求。然而，在ERRα功能受损的情况下，神经元的线粒体储备呼吸能力下降，无法有效应对这种增加的能量消耗，特别是在面对兴奋性毒性刺激时，神经元更易受损甚至死亡。

在3xTg-AD小鼠模型（一种家族性AD模型）中，研究人员进一步证实，在围绝经期过渡早期（VCD处理后第6-7周期）补充天然孕酮，可以有效逆转E₂:P₄比值的异常升高，恢复ERα引导的胆固醇稳态和ERRα-PGC1α信号轴功能，改善线粒体能量代谢，减少β-淀粉样蛋白(amyloid β, Aβ)和磷酸化Tau蛋白的病理沉积，并最终挽救小鼠的空间学习和记忆能力损伤。

本研究首次系统地揭示了围绝经期E₂/P₄失衡通过“胆固醇-ERRα-能量代谢-神经元兴奋性”轴增加女性AD风险的完整机制链条，强调了维持孕酮水平在围绝经期女性大脑健康中的关键作用，为开发针对女性AD风险的早期干预策略（如适时、适当地补充天然孕酮）提供了重要的理论依据和实验证据。

研究人员综合运用了多种关键技术方法来完成这项研究。他们分析了来自宗教 orders 研究和记忆与衰老项目(Religious Orders Study and Memory and Aging Project, ROSMAP)队列的人脑转录组和代谢组数据。在动物实验中，使用了VCD诱导的AOF小鼠模型模拟围绝经期，并在C57BL/6J和3xTg-AD小鼠上进行行为学、电生理学和分子生物学分析。通过腺相关病毒(adeno-associated virus, AAV)介导的基因敲降技术在神经元中特异性敲低Esrra基因。利用染色质免疫共沉淀(chromatin immunoprecipitation, ChIP)、蛋白质免疫共沉淀(co-immunoprecipitation, Co-IP)、蛋白质印迹(Western blot)、免疫荧光、代谢组学、稳定同位素标记示踪、膜片钳 electrophysiology、海马脑片场兴奋性突触后电位(field excitatory postsynaptic potentials, fEPSPs)记录、线粒体压力测试(mito-stress test)等多种技术手段，从整体动物到细胞分子水平进行了多层次机制探索。

女性LOADS患者表现出神经元内ERRα调控的生物能量网络更明显的衰退

对ROSMAP队列的613例人脑组织进行转录组分析发现，女性LOADS患者相比无痴呆(nondementia, ND)对照组有6615个差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)，远多于男性（439个）。女性LOADS中下调的基因显著富集于线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)通路，而上调的基因与神经炎症通路相关。转录因子分析提示ERRα是这些下调OXPHOS基因的关键上游调控因子。单核RNA测序(single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq)显示ERRα（由ESRRA编码）及其共激活因子PGC1α（由PPARGC1A编码）主要在神经元中高表达。免疫组化进一步证实，女性LOADS患者神经元中ERRα的核定位减少，提示其转录活性受损。

E2:P4比值与围绝经期状态开始时认知和记忆能力下降相关

通过VCD处理年轻雌性小鼠成功诱导了围绝经期状态模型。在诱导后第7个动情周期左右，部分小鼠出现E₂升高和/或P₄降低，导致E₂:P₄比值≥2.5 pg/ng的失衡。行为学测试表明，这种激素失衡与空间学习记忆（Morris水迷宫）和短期工作记忆（Y迷宫）损伤以及轻度焦虑样行为显著相关，且相关性优于单独的E₂或P₄水平。组织学分析发现高E₂:P₄比值小鼠海马CA1区出现神经突缺失，电生理记录显示Schaffer侧支通路的场兴奋性突触后电位(fEPSPs)和长时程增强(long-term potentiation, LTP)受损。

高雌二醇低孕酮失衡诱导反映ERRα信号网络损伤的脑转录组变化

对E₂:P₄比值升高的小鼠大脑皮层进行转录组分析，发现下调的DEGs富集于OXPHOS、TCA循环等线粒体能量代谢通路以及阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病相关通路。ERRα被预测为这些基因的主要上游调控因子。实验证实，在高E₂:P₄比值条件下，神经元内ERRα和PGC1α的核定位减少，两者之间的蛋白质相互作用减弱，PGC1α蛋白水平下降。分子对接模拟表明，胆固醇与ERRα配体结合域(ligand-binding domain, LBD)的结合能促进其与PGC1α的第三LXXLL模序相互作用，而激素失衡可能减少了ERRα结合的胆固醇，从而破坏了这一互作。

孕酮诱导的ERα信号通过维持胆固醇稳态调控下游ERRα-PGC1α轴

代谢组学分析显示，VCD诱导的AOF小鼠大脑出现胆固醇生物合成和糖代谢紊乱。在原代神经元中，E₂通过ERα（而非ERβ或GPER）调控多个胆固醇合成关键基因（如Dhcr24, Cyp51）和载脂蛋白E受体基因（如Lrpl, Vldlr）的表达。ChIP实验证实ERα能结合到这些基因的启动子区。重要的是，天然孕酮P₄能引导ERα与孕酮受体(progesterone receptor, PR)及p300组蛋白乙酰转移酶共同结合到靶基因启动子，从而协同增强E₂诱导的胆固醇生物合成。稳定同位素¹³C₆-葡萄糖示踪实验证实，P₄能促进E₂诱导的葡萄糖来源的丙酮酸流向甲羟戊酸途径用于胆固醇合成。下游分析表明，P₄引导的ERα信号能增加ERRα结合的胆固醇水平，增强ERRα-PGC1α相互作用和ERRα核转录活性。

ERRα缺失导致神经元NAAG代谢轴失调

在小鼠前脑神经元中特异性敲低Esrra，会导致TCA循环中断，琥珀酸脱氢酶(succinate dehydrogenase, SDH)复合体亚基表达下降。代谢重编程分析发现，ERRα缺陷神经元启动了一个“微型”TCA循环，利用天冬氨酸作为碳源补充TCA循环中间物。同时，神经元特异性二肽NAAG的合成减少，而分解代谢增强，这为补充天冬氨酸和谷氨酸池提供了来源。对ROSMAP人脑代谢组数据的分析发现，NAAG水平与女性（而非男性）的认知下降显著相关，提示NAAG代谢在女性AD易感性中可能发挥重要作用。

ERRα缺失导致自发性突触后活动增加、生物能量功能不全和神经元对兴奋性毒性损伤的敏感性增高

电生理记录表明，ERRα缺陷的CA1锥体神经元微型兴奋性突触后电流(mEPSCs)频率显著增加，提示自发性谷氨酸释放概率升高。这与突触前囊泡谷氨酸转运体VGLUT1的上调以及VGLUT1与突触后标记PSD95共定位增加一致。ERRα缺陷神经元基线ATP水平降低，线粒体基础呼吸和储备呼吸能力受损。在谷氨酸挑战后，ERRα缺陷神经元的ATP恢复速度更慢，更易发生caspase-3/7介导的细胞凋亡。这表明ERRα缺失导致神经元在能量需求增加时易发生生物能量危机。

围绝经期状态过渡期间补充P4可恢复AD小鼠模型中的胆固醇-生物能量稳态和神经元对兴奋性毒性的抵抗力

在3xTg-AD小鼠中，VCD诱导的高E₂:P₄比值与空间记忆损伤、皮层Aβ和磷酸化Tau蛋白水平升高相关。从围绝经期过渡早期（第7-8周期）开始持续补充天然孕酮，能有效将E₂:P₄比值恢复正常，恢复胆固醇和NAAG生物合成网络，增强ERRα-PGC1α信号，改善线粒体功能和林场突触可塑性，并减少AD相关病理和认知损伤。转录组分析证实P₄治疗能上调胆固醇合成和丙酮酸脱羧相关基因的表达。

本研究揭示了围绝经期E₂/P₄失衡通过破坏ERα介导的神经元胆固醇稳态，进而损害ERRα信号功能，导致线粒体能量代谢障碍和神经元兴奋性增加的分子通路。这为理解女性AD风险增加的生物学基础提供了创新性视角。研究强调，围绝经期本身，特别是伴随的激素失衡，是女性AD预防和早期干预的关键窗口期。研究结果支持进一步评估在围绝经期早期使用天然孕酮（而非合成孕激素）进行激素干预，以维持大脑胆固醇-能量代谢稳态，从而降低女性AD风险的潜在治疗价值。未来的研究需要进一步阐明APOE基因型等遗传风险因素如何与围绝经期激素变化相互作用，共同影响女性AD的易感性。