Nat Metab | 减肥新思路：靶向脑干内谷氨酸能神经元
原创 vampire97 图灵基因 2022-11-28 10:46 发表于江苏
收录于合集#前沿分子生物学机制
撰文：vampire97
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亮点：
本文关注大脑中影响“食物摄入量”的特定神经元，确定了调节食物摄入量和体重的两个神经元亚群。通过在肥胖小鼠中使用化学药物来激活这些神经元，发现能够减轻肥胖小鼠的体重。作者进一步通过转录组分析，将Hcrtr1和CalcR确定为治疗肥胖的潜在药物靶点。
近日由美国纽约洛克菲勒大学Jeffrey M. Friedman教授在《Nature Metabolism》杂志上发表了名为“Pharmacological targeting of glutamatergic neurons within the brainstem for weight reduction”的研究文章。作者发现，背侧浆核（DRN）中表达Vglut3的谷氨酸能神经元激活，能够减少肥胖小鼠的食物摄入量。背侧浆核位于脑干，是大脑中控制食欲的中心之一，另外一个重要的区域是下丘脑，它们通过结合脂肪细胞分泌的瘦素，来调节下游信号分子，从而控制食欲，减少食物摄入和体重。
肥胖会有并发症的风险，包括心脏病、糖尿病和高血压等。用于治疗肥胖的高效口服药物有限，而食物摄入量和体重由许多大脑区域中的特定神经元调节，作者以此为研究方向，探究能够靶向特定神经群体活动的药物。
作者控制肥胖小鼠的食物摄入量，筛选小鼠脑中呈激活状态的神经元，发现在经过节食，恢复正常饮食时，小鼠脑干中的谷氨酸能神经元亚群会被激活，并减少食物的摄入量。尤其是在背侧浆核（DRN）中表达Vglut3的谷氨酸能神经元（DRNVglut3神经元），其激活能够减少瘦素缺乏和瘦素抵抗性小鼠的食物摄入量。
DRNVglut3神经元激活对瘦素抵抗小鼠有效 肥胖通常与瘦素抵抗有关，瘦素是一种脂肪细胞分泌的激素，能够减少食物摄入量、增加能量消耗，并通过与下丘脑和其他大脑区域中，高水平表达的受体结合来调节许多其他生理过程。DRNVglut3神经元激活对瘦素抵抗小鼠有效，那么DRNVglut3神经元有可能在瘦素功能效应的下游。
DRNVglut3神经元激活在瘦素信号的下游 作者进行了解剖学和功能研究，绘制了DRNVglut3神经元的轴突投影，6周后使用显微镜对神经元进行成像，经过3D映射得到大脑图谱。结果发现DRNVglut3神经元轴突投影信号广泛投射于大脑的其他区域，而瘦素作用的关键区域的信号可以忽略不计，这说明了DRNVglut3神经元激活可能在瘦素信号传导的下游。
DRNVglut3神经元发送功能投射经LHA以减少食物摄入量 作者对DRNVglut3神经元轴突投影区域进行定量分析，发现了下丘脑外侧（LHA）区投影密集。为了确认LHA作为DRNVglut3神经元的靶标，是否是减少食物摄入过程中的一环，作者在小鼠LHA上方植入光纤，进行激光刺激，在刺激前、中、后，分别测量过夜禁食小鼠的食物摄入量，结果发现激光开启和激光关闭之间的平均食物摄入量受到快速而显着的抑制。确认了DRNVglut3神经元发送功能投射经LHA以减少食物摄入量。
DRNVglut3神经元是通过激活LHA中的Vglut2神经元来调节进食 为了确认下丘脑外侧（LHA）中的DRNVglut3神经元的靶标，作者假设DRNVglut3神经元是通过LHA中的Vglut2神经元（已有研究证明它抑制进食）来将信号发送到下丘脑。为了证明，作者在Vglut2-Cre小鼠中进行了跨单级突触标记示踪神经元，2周后观察到背侧浆核（DRN）区域被标记，Vglut3神经元被定位。这些数据揭示DRNVglut3神经元是通过激活LHA中的Vglut2神经元来调节进食。
通过药物来慢性激活DRNVglut3神经元，对食物的摄入也有相似的抑制作用作者探索药理作用DRNVglut3神经元能否减轻肥胖小鼠的体重，使用氯氮平-N-氧化物慢性激活DRNVglut3神经元，发现相比对照组有5%的体重减少。同时他们检测了小鼠的产热情况，并发现小鼠的全身能量消耗增加。确认了调节该神经元的小分子药物，可以有相似的减重效果。
发现DRNVglut3神经元中潜在药物靶点 作者对免疫沉淀的DRNVglut3神经元样本进行RNA-seq分析，发现两种神经肽受体，降钙素受体（calcr），食欲素受体1（hcrtr1）和G蛋白偶联受体4（gpr4）的显着高表达。
靶向DRNVglut3神经元靶点的药物减轻瘦素抵抗小鼠的体重 作者使用上述2个蛋白的靶向调节剂，测试它们是否具有与直接激活DRNVglut3神经元相似的减重效果。包括有Calcr G的配体：s-CT、Hcrtr1激活剂：食欲素A、Hcrtr1拮抗剂：SB-334867）。将其直接注入背侧浆核（DRN）中，结果发现Hcrtr1激活剂-食欲素A对食物摄入没有影响，而s-CT和SB-334867都降低了瘦素抵抗DIO小鼠的食物摄入量和体重。
口服药CVN45502可减轻瘦素抵抗小鼠的体重 作者进一步使用了一个口服化合物，Hcrtr1的特异性拮抗剂-CVN45502来测试该靶点的药物潜力。CVN45502可以穿过血脑屏障，并且已知它与小鼠和人的Hcrtr1受体均有特异性结合。结果发现该化合物同样可以减轻肥胖小鼠的食物摄入量和体重。
用CVN45502（30mg / kg）治疗14天后，观察到瘦素抵抗小鼠的食物摄入量和体重显着减少。这种效应与药物直接激活DRNVglut3神经元一致，表明CVN45502可能是“绕过瘦素抵抗”的潜在药物。长期口服CVN45502，还能够改善肥胖小鼠本身的能量平衡缺陷，并减轻瘦素耐药、瘦素缺乏的肥胖小鼠ob / ob的体重。
人类供体DRN样品中Hcrtr1和Vglut3共定位 作者为了确认人体DRN（脑干-背侧浆核）中的Hcrtr1是否有类似于小鼠体内的特异性表达，使用了来自三个人类捐赠者的大脑样本。在人类供体的DRN切片中使用RNA探针进行了免疫荧光（IF），免疫组织化学（IHC）和原位杂交（ISH）分析，证实了DRN中Hcrtr1和Vglut3的共定位，验证了人类中该靶点蛋白在DRN中的表达，确定了其作为治疗肥胖潜在靶点的可行性。
作者总结道：“脑干中的DRNVglut3神经元在解剖学和功能上与调节体重的常规神经回路相连，并在瘦素‘失效’的情况下，减少‘下游’的食物摄入量”。
教授介绍
Jeffrey M. Friedman教授，研究调节食物摄入量和体重的分子和神经机制。1994年，Friedman教授发现了调控脂肪的分子通路，致力于揭开肥胖背后的生理机制。他目前的工作探索瘦素调节能量平衡的机制，并试图确定体重的其他关键调节因子。
参考文献
Schneeberger, M., Brice, N.L., Pellegrino, K.et al. Pharmacological targeting of glutamatergic neurons within the brainstem for weight reduction. Nat Metab 4, 1495–1513 (2022). https://doi.org/10.1038/s42255-022-00677-8