大腦下丘腦區(qū)域發(fā)展出了一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，用于協(xié)調(diào)食物攝入和能量平衡的控制。這個(gè)系統(tǒng)能夠感知體內(nèi)儲(chǔ)存的能量量，并相應(yīng)地調(diào)整食物攝入和能量消耗，使體重和體溫在一段時(shí)間內(nèi)保持相對恒定。在負(fù)能量平衡條件下，通過下丘腦回路啟動(dòng)了一系列行動(dòng)，開啟了節(jié)能途徑，從而減少了能量消耗。同樣，覓食和食物攝入途徑也被強(qiáng)烈刺激。這些過程的首要調(diào)節(jié)器是下丘腦中的神經(jīng)肽Y（NPY）神經(jīng)元。特別是，ARC（弓狀核）中的NPY在負(fù)能量平衡下會(huì)顯著上調(diào)，并且長期向ARC注射NPY，結(jié)合自由進(jìn)食，會(huì)導(dǎo)致食物攝入量大增和能量消耗減少，最終導(dǎo)致肥胖的發(fā)展。在正能量平衡條件下，ARC中的NPY水平降低，但奇怪的是，這些較低量的NPY似乎仍能驅(qū)動(dòng)進(jìn)食，原因尚不明了。
澳大利亞圣文森特醫(yī)院加文醫(yī)學(xué)研究所的專家們在這一領(lǐng)域取得了較大進(jìn)展。他們提出，在能量過剩的條件下，當(dāng)ARC中的NPY水平通常下降時(shí)，POMC神經(jīng)元上的高親和力NPY2R受體仍能驅(qū)動(dòng)食物攝入并通過主要從Agrp陰性NPY神經(jīng)元釋放的NPY增強(qiáng)肥胖的發(fā)展。研究成果以“Agrp-negative arcuate NPY neurons drive feeding under positive energy balance via altering leptin responsiveness in POMC neurons”為題，發(fā)表在Cell Communications（IF：31.373）上。
1.下丘腦弓狀核（ARC）中神經(jīng)肽Y神經(jīng)元中Agrp陰性的比例
研究使用了Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠，這是一種獨(dú)特的小鼠模型，以確保僅從AGRP神經(jīng)元中刪除了Npy。在對這些小鼠進(jìn)行染色質(zhì)基因法和熒光RNAScope法的檢查中，研究者觀察到在控制組中（Agrpcre/+;Npylox/+小鼠）的ARC中存在大量NPY/AGRP神經(jīng)元，其中一部分NPY陽性神經(jīng)元卻不表達(dá)Agrp。更為關(guān)鍵的是，Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠的ARC中仍存在Npy陽性神經(jīng)元，但這些神經(jīng)元不表達(dá)Agrp mRNA，驗(yàn)證了它們是一群與Agrp無關(guān)的獨(dú)立的NPY神經(jīng)元。為了量化這一Agrp陰性的NPY神經(jīng)元群體相對于總NPY神經(jīng)元的比例，研究者使用了放射性探針對小鼠ARC進(jìn)行了原位雜交。結(jié)果顯示，在Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠中，ARC中的Npy mRNA水平僅為Agrpcre/+;Npylox/+小鼠的20%左右。此外，當(dāng)小鼠經(jīng)歷24小時(shí)禁食后，Agrpcre/+;Npylox/lox和Agrpcre/+;Npylox/+小鼠的ARC中Npy mRNA表達(dá)均顯著增加，但Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠的增加百分比明顯高于Agrpcre/+;Npylox/+小鼠，這表明Agrp陰性的NPY神經(jīng)元對能量不足的響應(yīng)更為強(qiáng)烈。
2.能量狀態(tài)的變化不同地改變了Agrp-陽性與Agrp-陰性NPY神經(jīng)元的平移輪廓
這項(xiàng)研究通過使用TRAP技術(shù)，探究了下丘腦弓狀核（ARC）中Agrp陽性和Agrp陰性的NPY神經(jīng)元在禁食和不同能量平衡條件下的蛋白質(zhì)合成差異。研究者利用Npycre/+和Agrpcre/+小鼠與(Rosa26lSlrSrEGFPL10a)小鼠交叉，生成了NpyCre/+;ROSA26lSlrSrEGFPL10a小鼠（簡稱為NpyTRAP）和AgrpCre/+;ROSA26lSlrS-rEGFPL10a小鼠（簡稱為AgrpTRAP）。在進(jìn)行為期24小時(shí)的禁食后，使用TRAP-seq技術(shù)對這兩個(gè)小鼠模型中的NPY神經(jīng)元進(jìn)行核糖體結(jié)合RNA的分析，并與自由攝食條件下的NpyTRAP小鼠進(jìn)行比較。
研究發(fā)現(xiàn)，禁食導(dǎo)致NPY和AGRP兩個(gè)群體中1,532個(gè)基因發(fā)生顯著改變，其中Npy mRNA的活躍轉(zhuǎn)錄在兩個(gè)群體中均顯著上調(diào)，而Agrp mRNA的活躍轉(zhuǎn)錄僅在AGRP群體中上調(diào)。有趣的是，在這些基因中，只有4%在兩個(gè)群體中呈相同的變化趨勢，突顯了Agrp陽性和Agrp陰性的NPY神經(jīng)元在ARC中的多樣性。另外，有8%的基因在總體NPY群體中顯著上調(diào)或下調(diào)，但在AGRP群體中未發(fā)生改變，這可能代表了Agrp陰性的NPY神經(jīng)元的特定基因。
研究進(jìn)一步通過分子技術(shù)驗(yàn)證了Agrp陰性的NPY神經(jīng)元中與食物攝入相關(guān)的基因（如Gaa和Timp2）的顯著上調(diào)。在不同能量平衡條件下，研究者觀察到Agrp陰性和Agrp陽性的NPY神經(jīng)元對細(xì)胞表面受體的翻譯水平有不同的響應(yīng)，特別是在正能量平衡條件下，Agrp陰性NPY神經(jīng)元中NPY的活躍轉(zhuǎn)錄水平顯著上調(diào)，同時(shí)Lepr（瘦素受體）的表達(dá)水平下調(diào)，表明Agrp陰性的NPY神經(jīng)元可能在正能量平衡條件下更為活躍，從而促進(jìn)由這些神經(jīng)元釋放的NPY引發(fā)的進(jìn)食行為。
3.Agrp陰性NPY神經(jīng)元能夠推動(dòng)食物攝入
研究者使用了一種新的激活型DREADD載體（AAV-hSyn-CreonFlpoff-hM3Dq-EYFP），注入到Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的弓狀核（ARC）中。該載體只在Agrp陰性的NPY神經(jīng)元中表達(dá)，經(jīng)過CNO處理后，通過免疫組化評估了黃色熒光蛋白（YFP）和Fos的共染色，證實(shí)了其正確注射和功能激活。在正常攝食條件下，CNO刺激Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的ARC，顯示了與生理鹽水相比稍微增加的進(jìn)食趨勢。然而，在禁食條件下，CNO刺激導(dǎo)致Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的食物攝入顯著增加。有趣的是，在高脂飲食條件下，CNO處理的小鼠顯示了明顯增加的食物攝入，尤其是在禁食后，表現(xiàn)出更大的食欲增加。這表明Agrp陰性的NPY神經(jīng)元對正能量平衡條件下的食物攝入有更強(qiáng)烈的反應(yīng)。相反，在空載體注射的對照小鼠中，CNO處理對食物攝入沒有顯著影響。對于能量消耗方面，CNO刺激未影響正常攝食條件下Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的能量消耗。然而，在禁食后的再飲食條件下，能量消耗顯著增加。在高脂飲食條件下，CNO刺激表現(xiàn)出能量消耗的趨勢性增加，而在禁食后的再飲食條件下則沒有明顯改變。在運(yùn)動(dòng)活動(dòng)方面，CNO處理僅在高脂飲食條件下表現(xiàn)出輕微增加的趨勢，而在其他條件下沒有明顯效應(yīng)。
4.Agrp陰性NPY神經(jīng)元主要投射到ARC POMC神經(jīng)元
通過使用表達(dá)光敏通道蛋白（ChR2）的病毒載體，研究人員發(fā)現(xiàn)Agrp正性NPY神經(jīng)元廣泛分布于下丘腦以及其他額外的下游神經(jīng)核，而Agrp負(fù)性NPY神經(jīng)元具有更為局部的投射模式，主要集中在下丘腦弓狀核（ARC）附近。這種局部的投射模式表明Agrp負(fù)性NPY神經(jīng)元可能主要與附近的神經(jīng)群體發(fā)生相互作用，特別是與POMC神經(jīng)元的相互作用引起了研究者的關(guān)注。免疫組化和分子分析證實(shí)，Agrp負(fù)性NPY神經(jīng)元與ARC中表達(dá)POMC的神經(jīng)元之間存在廣泛的聯(lián)系。為了在功能上驗(yàn)證這一相互作用，研究者使用了一種刺激性的DREADD載體，以選擇性地激活A(yù)grp負(fù)性NPY神經(jīng)元。激活這些神經(jīng)元后，研究發(fā)現(xiàn)它們能夠影響POMC神經(jīng)元中cAMP響應(yīng)元件結(jié)合蛋白（CREB）的磷酸化。具體而言，通過使用forskolin誘導(dǎo)提高cAMP水平，POMC神經(jīng)元的pCREB活性顯著增加，當(dāng)同時(shí)激活A(yù)grp負(fù)性NPY神經(jīng)元時(shí)，這種增加顯著降低。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，使用選擇性拮抗劑顯示，NPY2R受體而非NPY1R在介導(dǎo)Agrp負(fù)性NPY神經(jīng)元來源的NPY對POMC神經(jīng)元信號傳導(dǎo)的影響中起主導(dǎo)作用。這一發(fā)現(xiàn)表明Agrp負(fù)性NPY神經(jīng)元通過NPY2R受體信號傳導(dǎo)直接而特異地影響POMC神經(jīng)元的活性。
5.Npy2r的表達(dá)在肥胖條件下被上調(diào)，特別是在POMC神經(jīng)元中
研究采用了TRAP-seq技術(shù)（Translating Ribosome Affinity Purification and RNA sequencing），通過這一方法能夠選擇性地分離和研究Agrp-negative NPY神經(jīng)元的轉(zhuǎn)錄水平。研究發(fā)現(xiàn)，在POMC神經(jīng)元中，Npy2r mRNA的活躍轉(zhuǎn)錄在不同能量狀態(tài)下表現(xiàn)出明顯的變化。在能量過剩條件下，Npy2r mRNA的活躍轉(zhuǎn)錄顯著上調(diào)，而這種上調(diào)在HFD（高脂飲食）條件下更為顯著。與Npy2r相似，Lepr（瘦素受體）的轉(zhuǎn)錄水平也在HFD條件下顯著上調(diào)。研究還發(fā)現(xiàn)這種變化可能與肥胖相關(guān)，因?yàn)榕c肥胖相關(guān)的小鼠模型以及HFD喂養(yǎng)的小鼠均顯示出POMC神經(jīng)元中Npy2r mRNA的適應(yīng)性上調(diào)。這些發(fā)現(xiàn)表明Npy2r在POMC神經(jīng)元中的表達(dá)水平對于能量平衡和肥胖的調(diào)控可能具有重要作用。
6.POMC神經(jīng)元中缺乏Npy2r導(dǎo)致食物攝入量和脂肪量減少
作者通過創(chuàng)建PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠模型，探究了NPY2R信號在POMC神經(jīng)元中對能量平衡的功能貢獻(xiàn)。結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)飼料和高脂飲食條件下，雄性PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠在體重和體重增加方面與Npy2rlox/lox對照小鼠無顯著差異。然而，在高脂飲食條件下，PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠顯示出明顯減少的脂肪質(zhì)量增加，而瘦體質(zhì)量和骨體質(zhì)量無顯著變化。此外，這一趨勢在雌性小鼠中也得到了證實(shí)。缺乏POMC神經(jīng)元中NPY2R信號對葡萄糖代謝沒有明顯影響。代謝分析顯示，PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠在標(biāo)準(zhǔn)飼料條件下的代謝參數(shù)與對照組無顯著差異，但在高脂飲食條件下，缺乏NPY2R信號的小鼠表現(xiàn)出明顯降低的自發(fā)性進(jìn)食和能量消耗。這些結(jié)果表明NPY2R信號在POMC神經(jīng)元中在能量攝入過剩條件下對于調(diào)節(jié)進(jìn)食和脂肪堆積具有顯著作用。
7.缺乏NPY2R信號改變了POMC神經(jīng)元表達(dá)概況
研究發(fā)現(xiàn)，在暴露于高脂飲食（HFD）條件下，POMC神經(jīng)元中Npy2r和Lepr的mRNA翻譯都上調(diào)，暗示這兩個(gè)信號通路之間存在密切的功能互動(dòng)。進(jìn)一步研究表明，HFD導(dǎo)致這兩個(gè)基因的總mRNA表達(dá)也顯著增加。缺乏POMC神經(jīng)元中的Npy2r影響Lepr的上調(diào)，提示Npy2r在POMC神經(jīng)元中的缺失可能影響Lepr信號傳導(dǎo)，尤其在飲食依賴的情況下。此外，缺乏Npy2r導(dǎo)致POMC神經(jīng)元中Pomc mRNA的降低，對HFD的反應(yīng)也發(fā)生變化。這些發(fā)現(xiàn)表明Npy2r在POMC神經(jīng)元中對于飲食調(diào)控和基因表達(dá)適應(yīng)起到了重要的作用。
8.POMC神經(jīng)元中的瘦素反應(yīng)性取決于NPY2R信號傳導(dǎo)
為了研究在不同能量狀態(tài)下POMC神經(jīng)元中NPY2R信號的主要功能，研究人員使用了不同能量狀態(tài)下的POMC神經(jīng)元的翻譯后mRNA水平。他們觀察到，HFD條件下，POMC神經(jīng)元中NPY2R和Lepr mRNA的翻譯均顯著上調(diào)，表明這兩個(gè)信號通路之間存在密切的功能相互作用。在HFD條件下，POMC神經(jīng)元中NPY2R的缺失并未改變Lepr基因的基礎(chǔ)表達(dá)，但抑制了Lepr mRNA在HFD條件下的上調(diào)。此外，NPY2R缺失還顯著降低了POMC mRNA的表達(dá)水平。這表明，在POMC神經(jīng)元中，NPY2R的缺失可能通過多種方式影響能量平衡和代謝調(diào)控。與此同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)NPY2R缺失保護(hù)了POMC神經(jīng)元對leptin的敏感性，特別是在HFD條件下，這有助于保持這些神經(jīng)元更強(qiáng)的厭食作用。
總結(jié)：
這篇文章研究了在正能量平衡條件下，Agrp-陰性的弓狀核NPY神經(jīng)元通過改變下丘腦POMC神經(jīng)元對Leptin的響應(yīng)來推動(dòng)攝食的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，盡管在正能量平衡時(shí)ARC NPY水平降低，但這些較低水平的NPY仍然能夠通過影響Leptin在POMC神經(jīng)元上的響應(yīng)來促使進(jìn)食。這提供了對大腦中能量平衡調(diào)控機(jī)制的進(jìn)一步理解，特別是在正能量平衡時(shí)，Agrp-陰性的弓狀核NPY神經(jīng)元在食物攝入調(diào)控中的重要作用。