段树民团队2020年连续在Neuron、elife和Glia等杂志发表研究成果

2020-11-28 09:06:55 脑科学世界

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2020年11月25日,Nature Communications期刊(DOI:10.1038/s41467-020-19767-w)在线发表浙江大学的题目为“Parabrachial nucleus circuit governs neuropathic pain-like behavior”的文章。浙江大学脑科学和脑医学学院讲师孙丽为论文第一作者,研究生刘瑞为共同第一作者。孙丽和段树民为共同通讯作者。

课题组研究人员利用神经病理性疼痛模型(CPN)小鼠,结合在体神经元钙信号检测、电生理、光遗传学及行为学检测等,发现在给与神经病理性痛小鼠触觉和热刺激时,LPBN谷氨酸(兴奋性)能神经元活动比对照小鼠显著增强,但GABA(抑制性)能神经元活动无显著变化。用光遗传学选择性激活LPBN谷氨酸神经元则在正常小鼠也产生神经病理性痛的行为反应,而光遗传学抑制LPBN谷氨酸能神经元则对急性的生理性疼痛和慢性的神经病理性疼痛都能阻断。

有意思的是,光遗传学激活GABA能神经元(只占整体LPBN神经元的10%)选择性抑制神经病理性痛,但不影响生理性疼痛。而抑制了LPBN的GABA能神经元则在正常小鼠也产生神经病理性疼痛样反应。

图1 图文摘要:LPBN环路调控生理性和病理性疼痛机制模式图


为进一步研究LPBN神经元是仅作为神经痛的传递中间站还是主动参与了神经病理性痛的产生,研究人员采用药理遗传学方法,发现连续特异性激活LPBN谷氨酸能神经元(1周),就可以在正常小鼠产生长期的慢性疼痛行为,完全模拟了神经损伤引起的神经病理性痛。另一方面,在神经损伤的第一天开始连续特异性激活LPBN的GABA能神经元(1周), 则神经病理性疼痛就不会再发生(图1)。

这些结果表明,LBPN谷氨酸神经元的活动不仅对神经痛和生理性痛的传递都至关重要,也是产生神经痛的充分和必要的条件。而只占LPBN神经元10%的GABA能神经元则对神经痛的发生和传递起到关键的门控作用。该研究不仅为深入理解神经痛发病机制具有重要意义,也为神经痛的临床干预提供重要的新靶点。

02

课题研究人员首先在模式生物秀丽隐杆线虫(C. elegans)的化感器鞘状胶质细胞(amphid sheath glia; AMsh glia)中特异性表达钙敏感的荧光蛋白GCaMP5,发现无论在体还是离体分离培养的AMsh 胶质细胞都能够被机械刺激和厌恶性气味分子所激活。通过一系列分子遗传学筛选,研究人员发现两种GPCR蛋白SRH-79和STR-61,分别表达于AMsh 胶质细胞和ASH感觉神经元,作为受体蛋白感受气味分子IAA(isoamyl alcohol;异戊醇),并通过TRP通道和IP3R引起细胞内的钙升高响应。

接下来,在AMsh 胶质细胞中表达光敏感通道蛋白(CoChR),采用光遗传学方法特异性操控AMsh胶质细胞活性,研究人员发现AMsh胶质细胞被激活以后,能够通过释放抑制性神经递质GABA,作用于ASH感觉神经元上的离子型GABA受体LGC-38,抑制ASH神经元对气味分子的响应,进而调节气场环境(IAA)中动物的嗅觉行为学模式。

通过

有意思的是,如果基因敲除AMsh胶质细胞上的IAA受体SRH-79,AMsh胶质细胞就失去了对IAA气味适应性的调控能力,但是仍然保持对1-octanol(辛醇)气味适应性的实时调节作用,充分说明了AMsh胶质细胞能够直接感受气味刺激,并实时调控嗅觉行为响应。

本研究揭示了神经胶质细胞在感觉生成调控中的主动、实时的作用,并从分子和环路水平揭示了嗅觉适应性的产生机制,为充分阐明神经胶质细胞的生理功能和感觉适应性的生成机制奠定了科学基础,并提示神经胶质细胞及其相关分子在神经精神疾病发生与相关药物开发中潜在的意义。

浙江大学脑科学与脑医学学院康利军教授和段树民院士是本文的共同通讯作者,博士研究生段夺、张虎、岳晓敏和范月丹是论文共同第一作者。该研究得到了浙江大学徐素宏教授、王志萍教授、中国科技大学温泉教授、澳大利亚莫纳什大学刘杰教授等团队的支持。

03

2020年9月1日,浙江大学脑科学与脑医学学院虞燕琴教授和段树民院士团队在eLife期刊发表了(9月21日,full online edition)题为“Activation of Astrocytes in Hippocampus Decreases Fear Memory through Adenosine A1 Receptors”的研究论文(DOI: 10.7554/eLife.57155)。

该团队在既往对星形胶质细胞的系列研究基础上(如星形胶质细胞释放的ATP不仅对神经元活动产生异突触抑制,而且ATP和其降解产物腺苷反向调控不同类型神经元的兴奋性,从而有效调控神经网络活动等工作),进一步对星形胶质细胞在高级神经活动方面尤其是是否和如何调控恐惧记忆展开了探索性研究,提出了调控星形胶质细胞活动以阻断恐惧记忆巩固的新策略。

课题组研究人员首先在大鼠海马脑区的星形胶质细胞中特异性表达光敏感通道蛋白(ChR2),采用光遗传学方法特异性操控星形胶质细胞钙活动;发现在恐惧学习后特定时间窗内兴奋星形胶质细胞能引起显著并持久的恐惧记忆降低,同时对伴随恐惧相关的焦虑样行为有显著的改善作用;有趣的是,这种操作只会影响操作前时间窗内偶联的恐惧记忆,动物再次学习和记忆能力不受影响。

同时,研究人员采用降低星形胶质细胞活动的策略,发现恐惧记忆明显增加,这反证了星形胶质细胞活动在调控恐惧记忆中的重要作用。进一步的机制研究发现,星形胶质细胞兴奋后细胞外ATP和腺苷水平显著增加;外源性给予腺苷或腺苷受体A1Rs激动剂和兴奋星形胶质细胞的作用一致;阻断A1Rs作用,则阻断兴奋星形胶质细胞引起的恐惧记忆降低效应。

这项工作不仅推进了对恐惧记忆新机制的理解,也为治疗病理性恐惧相关疾病如创伤后应激障碍提供了新的可能的有效策略和途径。

本课题模式图

浙江大学脑科学与脑医学学院虞燕琴教授和段树民院士是本文的共同通讯作者,博士研究生李玉兰和李礼轩是论文共同第一作者。

04

2020年5月21日,《胶质细胞》发表了浙江大学脑科学与脑医学学院高志华教授与段树民院士团队关于小胶质细胞代谢特性的研究,题为“mTOR-mediated metabolic reprogramming shapes distinct microglia functions in response to lipopolysaccharide and ATP”。

团队首先通过转录组分析比较LPS激活的M1促炎型小胶质细胞以及IL-4激活的M2抑炎型小胶质细胞的所有代谢基因转录组,发现LPS激活的小胶质细胞主要在糖酵解、三羧酸循环、花生四烯酸和磷酸肌醇等代谢通路上有明显的改变,而IL-4激活的小胶质细胞主要在花生四烯酸途径相关基因的发生改变。由于对血脑屏障的保护,脑实质内的小胶质细胞很少暴露于病原体相关分子模式 (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs),如LPS等。

小胶质细胞经常被损伤相关分子模式 (damage-associated molecular pattern, DAMPs)激活。ATP作为最常见的DAMPs,已被证明在缺血、疼痛和癫痫等多种神经疾病中无菌激活小胶质细胞。因此,课题组进一步通过seahorse生物能量代谢分析技术手段,实时监控在LPS激活M1型和IL-4激活M2型,以及ATP无菌激活的小胶质细胞的代谢特性,发现LPS和ATP有效促进小胶质细胞的糖酵解过程,而LPS抑制氧化磷酸化,但ATP激活氧化磷酸化。此外,IL-4激活的小胶质细胞糖酵解和氧化磷酸化改变不明显。

此外,课题组还发现,在LPS和ATP激活的小胶质细胞明显上调mTOR信号通路。通过抑制mTOR信号通路,可以有效抑制LPS和ATP诱导的糖酵解升高,以及ATP诱导的氧化磷酸化升高。并且LPS以及ATP激活的小胶质细胞的细胞因子合成的升高,依赖于mTOR信号通路和糖酵解代谢的激活与升高。

这项研究结果表明,LPS可以促进小胶质细胞的糖酵解,但抑制氧化磷酸化。ATP促进糖酵解和氧化磷酸化。mTOR信号通路可以有效调控LPS和ATP介导的不同的代谢重编程。并且,阻断mTOR或糖酵解代谢,有效降低细胞活化所引起的免疫效应,揭示CNS中小胶质细胞的代谢编程在免疫调控中的重要作用。这一发现或为靶向治疗神经炎症带来新的思路。

图. 小胶质细胞响应PAMP (如LPS)或DAMP(如ATP)激活,通过mTOR信号通路调控代谢重编程和免疫反应。

这项研究工作出自浙江大学医学院浙江大学脑科学与脑医学学院,第一作者是博士研究生胡亚玲,共同通讯作者是高志华教授和段树民院士。该研究主要受国家自然科学基金委和科技部重点研发项目等资助。

以上内容来源:浙江大学脑医学与脑科学官网

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