Nature瘦素脑源性神经营养因子途径

年7月22日，来自美国纽约洛克菲勒大学霍华德·休斯医学研究所分子遗传学实验室的JeffreyFriedman教授团队在Nature上发表题为Aleptin–BDNFpathwayregulatingsympatheticinnervationofadiposetissue的文章。瘦素缺乏的小鼠大量肥胖是因为饮食过量和能量消耗减少，包括运动减少，产热功能受损和脂质动员减少。急性瘦素治疗抑制ob/ob小鼠过夜的食物摄取和刺激运动，但不能刺激棕色脂肪产热。相比之下，慢性瘦素治疗纠正了所有这些异常。为了进一步研究急性和慢性瘦素治疗之间的差异，研究人员对四组小鼠进行了研究：(1)ob/ob磷酸盐缓冲盐水(PBS)组包括ob/ob小鼠，通过渗透压泵接受PBS治疗14天；(2)慢性瘦素组包括ob/ob小鼠，接受瘦素治疗14天；(3)急性瘦素组包括ob/ob小鼠，接受PBS治疗14天，然后急性剂量(3mgkg?1)注射瘦素。第14天拔泵，第16天，除急性瘦素组外，其余3组均单次注射PBS。泵取出两天后(第16天)，只有急性瘦素组的循环瘦素水平较高。然后，通过将小鼠置于4?°C小室中测量棕色脂肪组织(BAT)产热，或通过禁食小鼠诱导皮下(腹股沟)白色脂肪组织中的脂质动员，来评估小鼠的发热或解脂反应。与之前的观察一致，WT小鼠在冷暴露后保持核心和BAT温度，而ob/obPBS组和急性瘦素组则具有极低体温(图1b，c)。相比之下，慢性瘦素组的核心和BAT温度与WT小鼠相似，尽管完全缺乏瘦素信号，下丘脑中没有磷酸化的信号转导和转录激活因子3(p-STAT3)证实了这一点。慢性瘦素组BAT的生热基因(包括解偶联蛋白1(UCP1))的蛋白质和RNA水平显著高于PBS组或急性瘦素组。在WAT中也观察到了类似的现象，其中慢性瘦素组的磷酸化激素敏感脂肪酶水平显著高于PBS组或急性瘦素组(图1E)，即使急性瘦素组每12小时接受两次额外剂量的瘦素，以维持较长时间的高血浆瘦素水平。综上所述，这些数据表明，即使在没有循环瘦素的情况下，慢性但非急性的瘦素治疗可以使对冷暴露和禁食的反应正常化。图1：瘦素对瘦素缺乏症ob/ob小鼠脂肪组织交感神经支配、产热和脂解的影响。瘦素对脂肪三叉神经节神经支配的调节BAT的产热和WAT的脂解受交感神经系统(SNS)的调节，研究人员假设脂肪组织中交感结构的改变可能解释了研究人员的发现。研究人员首先对ob/ob、db/db和WT小鼠的iWAT中的SNS神经支配进行了成像，方法是将整装组织清除(ADIPO-CLEAR)与光片显微镜配对。用酪氨酸羟化酶(TH)免疫标记法标记SNS神经元。由于清除BAT的技术困难，用荧光显微镜观察了BAT脱脂切片中的神经分布。这些研究显示，成年和青春期ob/ob小鼠(图1f，g)以及携带瘦素受体(Lepr)突变的db/db小鼠的SNS神经支配显著减少(与观察结果相似)，并且db/db小鼠的SNS神经支配显著减少。研究人员接着用外源性瘦素治ob/ob小鼠14天，发现它使SNS神经支配、TH和泛神经元的蛋白水平正常化。这一作用与瘦素的厌食作用无关，因为与瘦素治疗组配对喂养的ob/ob小鼠未能显示出脂肪神经支配或产热的变化(图1H，I)。时程研究显示，iWAT和BAT的神经支配在瘦素治疗7-14天后恢复到WT水平(图1J，k)。相反，ob/ob慢性瘦素组在停用瘦素治疗3周后，导致神经丧失到治疗前水平。电生理记录显示，与PBS治疗相比，慢性瘦素治疗后ob/ob小鼠对BAT和iWAT(图1L，m)的基础交感神经活性(SNA)显著增加。冷暴露后，与基线相比，慢性瘦素组的交感神经活动反应也明显高于对照组。瘦素处理的ob/ob小鼠的BAT和IWAT外植体的耗氧量也显著高于PBS处理或成对喂养的产仔小鼠的外植体。总之，这些数据表明，瘦素缺乏的ob/ob小鼠的脂肪组织神经支配水平显著降低，并伴随着相关的功能异常，慢性瘦素治疗纠正了这些解剖和功能缺陷。神经支配是通过ARC调节的瘦素的主要作用部位是大脑，这增加了神经支配受到来自中枢神经系统(CNS)的自上而下传出信号调节的可能性。因此，研究人员测试了脑室注射瘦素(icv)。以12ngh?1注ob/ob小鼠的脑脊液中2周，这是一种低剂量，皮下给药时没有明显的效果。icv输注瘦素显著增加了iWAT和BAT的SNS神经支配(图2A，b)。与中枢神经系统的作用部位一致，瘦素没有诱导培养的交感神经元生长。为了描述负责的神经通路，研究人员确定了瘦素信号和调节脂肪组织交感神经支配的传出神经通路的交叉点。将表达绿色荧光蛋白(GFP)的嗜神经性伪狂犬病病毒(PRV-GFP)注射到Lepr-Cre：：LSL-tdTomato小鼠的IWAT或BAT中，在Lepr-Cre：：LSL-tdTomato荧光蛋白表达神经元中表达tdTomato荧光蛋白。tdTomato和GFP的共同定位标记了瘦素反应神经元，这些神经元(间接)投射到脂肪组织。PRV-GFP在脂肪组织中的突触末端被摄取，以大约每天一个突触的速度逆行繁殖。这导致交感神经节后神经元在第2天感染，胆碱乙酰转移酶阳性的节前神经元在第3天感染脊髓中间外侧核(IML)。在第4天观察到几个脑区的病毒标记，包括PVH，已知向IML单通道投射的下丘脑核。感染后5-6天，研究人员注意到GFP(针对PRV)和tdTomato(针对Lepr)在弓状核(ARC)、下丘脑背侧内侧(DMH)和视前内侧区(MPO)的神经元中表达广泛重叠，据报道每种神经元都调节能量消耗(图2C)。为了测试这三个区域中哪个调控脂肪组织的神经支配，研究人员通过向成年Leprfl/fl小鼠的每个区域注射表达Cre的腺相关病毒(AAV-GFP-Cre)，删除了MPO、DMH或ARC中编码Lepr的基因(图2D)。瘦素诱导的STAT3磷酸化缺失证实了这三个区域编码LepR的基因的Cre依赖性缺失。编码LepR的基因在ARC(LepRΔARC)中的缺失，但在MPO或DMH中没有，导致IWAT和BAT中的SNS神经支配显著减少(图2e-h)。LEPRΔARC导致体重显著增加，血清瘦素水平增加，对寒冷的生热反应降低。这些结果表明，在正常成年小鼠中，整个ARC中瘦素信号的中断会导致脂肪组织交感神经的丧失。饮食诱导的肥胖(DIO)也与瘦素抵抗和ARC中瘦素信号的部分丧失有关。接下来，研究人员询问喂食60%高脂饮食(HFD)个月的小鼠是否发现脂肪组织神经支配的改变(图2i-k)。正如先前显示的，这些小鼠在急性瘦素治疗后的4个月中变得越来越不敏感，只有很低水平的STAT3磷酸化(图2K)。DIO组小鼠皮下脂肪库的交感神经支配也显著减少(图2i，j)。然而，与DIO小鼠中残留瘦素信号的低水平一致(图2K)，神经支配并没有减少到ob/ob小鼠的水平。图2：瘦素信号集中通过ARC调节皮下脂肪库的交感神经支配。在ARC，刺鼠相关肽(AGRP)和阿片黑素皮质素原(POMC)神经元，介导了瘦素的许多效应，研究人员开始评估它们在调节SNS神经支配中的单独作用。为了进一步证实每个群体间接投射到脂肪组织，研究人员将PRV-GFP注射到AGRP-IRES-Cre：：LSL-tdTomato小鼠的脂肪中或将PRV-mCherry注射到POMC-Cre：：LSL-Cas9-GFP小鼠的脂肪中，5天后，观察到PRV与AGRP或POMC在ARC中的共存(图3A，b)。AgRP-IRES-Cre或POMC-Cre小鼠与LSL-Cas9-GFP小鼠杂交，在每种细胞类型中特异性表达Cas9(图3C)，随后双侧注射AAV，驱动针对小鼠LepR(SgLepR)位点21的单个引导RNA(SgRNA)或对照引导RNA(SgCtrl)。与相邻的Cre阴性细胞不同，编码Lepr的基因的特异性缺失是通过丢失瘦素诱导的Cre表达细胞中的p-STAT3信号(95%)来验证的(图3D，e)。AGRP(AGRPΔLEPR)和POMC(POMCΔLEPR)神经元LepR编码基因的缺失导致脂肪组织的神经支配显著减少(iWAT为50%，BAT为30%；图3F-I)，介于WT和ARC完全缺失LepR的减少之间(iWAT为85%，BAT为60%；图2G，h)。尽管AGRPΔLEPR的数据没有达到统计学意义，但在这两个人群中，LEPR的缺失也与冷暴露后生热反应略有降低有关。与先前的报告一致，只有AGRPΔLEPR，而不是POMCΔLEPR，与对照组相比，小鼠显示出更多的食物摄入量和体重增加，并出现高瘦素血症。这些结果揭示了AGRP和POMC神经元在调节脂肪组织交感神经支配中的作用。然而，由于这两个群体主要投射在大脑中，研究人员开始识别中间神经元群体，AGRP和POMC神经元通过这些群体发挥其对神经支配的作用。图3：ARC中的AgRP和POMC神经元介导脂肪组织瘦素依赖的交感神经支配。BDNFPVH是神经支配所必需的为了研究脑源性神经营养因子是否足以恢复神经支配，研究人员给予脑源性神经营养因子(24μgkg?1，每日1次)ICV进入ob/ob小鼠14天，发现IWAT和BAT的交感神经支配显著增加(图4A，b，扩展数据图7A，b)。研究人员测试BDNF信号对于瘦素介导的神经再支配是否是必需的，研究人员用瘦素治疗ob/ob小鼠，加或不加TrkB拮抗剂KA，由ICV递送。每天注射两次。该BDNF拮抗剂显著钝化瘦素诱导的iWAT和BAT的SNS神经支配50%(图4C，d)，并减少瘦素介导的体重减少量。另一种TrkB拮抗剂ANA12也有类似的效果，它是通过腹腔给药的。这些结果提出了ARC内一群表达BDNF的神经元调节ARC内AGRP和POMC神经元下游的交感神经支配的可能性。图4：BDNFPVH神经元调节ARC下游的交感神经支配。为了鉴定这个假定表达BDNF的群体，研究人员使用了与以前相同的PRV追踪策略，将PRV-mCherry注射到BDNF-IRES-Cre：：LSL-GFPL10小鼠的脂肪组织中(图4e)。研究人员发现，第一个显示GFP(BDNF)和mCherry(PRV)广泛共存的脑区是PVH。PVH是CNS，中已知的交感运动前区域，BDNFPVH神经元已被证明投射到脊髓IML中的交感节前神经元，并调节能量消耗。瘦素治疗后，在显微解剖的PVH样本中，FOS阳性的BDNFPVH神经元数量增加了50%，BDNFmRNA的表达增加了一倍(图4F-h)。然而，这些神经元不表达Lepr，这表明它们受到瘦素的间接调节。接下来，研究人员通过将表达Cre的AAV(AAV-GFP-Cre)双侧导入Bdnffl/fl小鼠的PVH，阻断了PVH神经元中BDNF的表达。12周后，PVH特异性BDNF缺失导致IWAT和BAT的神经支配与对照组相比显著减少(图4I，j)，并伴有适度的体重增加。尽管先前的研究表明，PVH中的神经元接受AGRP和POMC神经元的输入，进而介导瘦素对摄食和能量消耗的一些影响，但BDNFPVH神经元的作用并未得到评估。用狂犬病病毒株进行的单突触逆行追踪显示，从ARC中的AGRP和POMC神经元到BDNFPVH神经元的单突触输入(图4K，l)。为了确定BDNFPVH在介导瘦素对神经支配的影响中的功能作用，研究人员将表达AAV的依赖Cre的白喉毒素A(dtA)注射到ob/ob：：BDNF-IRES-Cre小鼠的PVH中来消融这些神经元。使用RNAScope的原位杂交显示，在ob/ob：：BDNFΔPVH小鼠中，BDNFPVH神经元大约有90%的丢失。结果小鼠在基线时体重或食物摄入量没有变化。然而，当ob/ob：：BDNFΔPVH小鼠皮下注射瘦素2.5wk时，研究人员发现与cre阴性ob/ob小鼠相比，瘦素诱导体重减轻、减少进食量和恢复蝙蝠体温的能力显著降低。此外，ob/ob小鼠中瘦素依赖性的交感神经支配的增加在BAT和iWAT中显著降低50%(图4m，n)。在ob/ob：：BDNFΔPVH小鼠中，iWAT显著降低了瘦素依赖的交感神经支配的增加(图4m，n)。综上所述，这些实验表明，BDNFPVH神经元位于ARC内AGRP和POMC神经元的正下游，是瘦素恢复ob/ob小鼠BAT和WAT交感神经支配所必需的。研究人员探索了急性和慢性瘦素对产热和脂解的不同影响的机制，并发现了一个自上而下的神经回路，调节脂肪组织交感神经依赖瘦素的可塑性。瘦素水平反映了营养的可用性，这些数据表明，瘦素不仅通过改变交感神经活动，而且通过动态调节脂肪组织中交感神经结构的结构来发挥代谢和生热作用。

尽管中枢BDNF信号先前被证明调节能量支出，但其潜在的机制尚不清楚。这项研究表明PVH是BDNF的来源之一，它通过调节WAT和BAT的SNS神经支配水平来调节能量消耗。BDNFPVH神经元投射到交感节前神经元，为调节直接支配脂肪组织的节后交感神经元的可塑性提供了一条管道。虽然以前的报告显示，外周靶来源的信号可以影响脂肪神经支配水平，但研究人员的结果表明，自上而下的信号也有类似的影响，这提出了一个问题，即是否在细胞水平上使用了类似的机制。节前神经元的调节是如何导致节后神经元发芽增加的，目前尚不清楚，目前正在研究中。由于瘦素间接调节SNS神经支配，因此操纵这些下游神经元可能绕过瘦素抵抗，并可能为治疗代谢性疾病提供新的细胞靶点和新的治疗途径。

原文链接：

转载请注明：http://www.pzegp.com/yszz/16613.html