预立医周解文 科技减肥——不吃饭也可产生饱腹感

本期为大家介绍一篇大脑通过负责控制食欲的细胞来进行减肥的文章。...

预立医周解文

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来源/预立医学

本期为大家介绍一篇大脑通过负责控制食欲的细胞来进行减肥的文章。题目为Amino acid sensing inhypothalamic tanycytes Q6 via umami taste receptors（2017-09-27发表），文章发表在Molecular metabolism上。

期刊介绍

Molecular metabolism

2016年IF为6.8,2015年IF为5.3

出版周期：月刊

审稿周期：平均2个月

偏重方向：糖尿病；肥胖；代谢性疾病；代谢

研究背景

氨基酸一直被认为是满足饥饿和提供长时间饱腹感的最有效的营养物质。其原因是富含蛋白质的食物消化较慢，可保持血糖水平相对稳定，从而减少了饭后对食物的渴望。然而，在过去几十年中，大脑已经成为能量稳态的关键因素，即使不通过消化系统，氨基酸也可以具有令人满意的效果。直接脑室内（ICV）注射下丘脑氨基酸可以抑制大鼠食欲。

Gietzen等人已经表明，脑氨基酸感测机制非常特殊，使得注射一种必需氨基酸可以逆转缺乏该氨基酸的食物的不利影响。进一步的氨基酸检测机制已经在中期下丘脑中被描述，其中亮氨酸的注射通过激活哺乳动物的雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路和下丘脑外侧从而抑制动物进食，而涉及摄食和睡眠行为的下丘脑/食欲肽神经元被推测为连接下丘脑和皮层网络，已被证明可以检测非必需氨基酸。

下丘脑收到与周围以及大脑各个区域的饮食和食物相关行为相关的其他信号，并整合可用信息，以提供适当的反应来维持能量稳态。由脂肪组织分泌的外周食物摄取相关信号，如生长素释放肽，由空腹产生的瘦素或瘦蛋白，通过第三脑室周围的开窗毛细血管进入下丘脑，并由斜纹细胞、线状壁的桡神经胶质细胞的心室，进入弓状核（ARC）。

然后，生长素释放肽激活产生兴奋性神经肽Y产生（NPY）神经元。另一方面，瘦蛋白抑制NPY和agouti相关的肽产生（AgRP）神经元，但是激发产生厌食性促生长素原皮质素（POMC）的神经元。下丘脑细胞是保持能量稳定的关键因素。它们在第三脑室壁上的位置给予他们特权进入脑脊液（CSF）；它们的长期进程投射到控制能量稳态的细胞核，并与这些细胞核的神经元紧密接触，这表明了脑室膜细胞和下丘脑神经元之间的交流潜力。

小鼠胫骨细胞表达睫状神经营养因子（CNTF），其可以减少食物摄入量，从而抵消肥胖啮齿动物中的正能量平衡。脑室膜细胞也被描述为饮食调节神经干细胞。谱系追踪研究已经证明，细胞可以产生新的神经元和神经胶质，这意味着下丘脑的神经元网络是高度可塑的并且是可以通过饮食改造。

脑室膜细胞使用类似于胰腺β细胞的机制，假定其具有葡萄糖敏感性。这取决于特定的葡萄糖转运蛋白，葡萄糖激酶和ATP敏感的K +通道（KATP）（已经被证明存在于脑室膜细胞内）。直接证据表明，通过ATP受体依赖性机制发生了单细胞糖蛋白感染，并且在大部分的鞣质细胞中，依赖于甜味受体（Tas1r2/Tas1r3异源二聚体）。

Tas1r2/Tas1r3通常位于舌头的味细胞中，被表达其他味道形态受体的细胞所包围。一个密切相关的受体Tas1r1/Tas1r3异源二聚体与甜味受体共享一个亚基，有助于感觉到鲜味（人类谷氨酸的味道或啮齿动物中大多数非芳香族L-氨基酸的味道）。这提示出一个新的假设，脑室膜细胞可以通过这种受体感测氨基酸。研究方法

Ca2+成像和ATP生物传感用于检测对L-氨基酸的脑室膜细胞的反应。使用ATP受体拮抗剂和通道阻断剂测定反应的下游通路。使用缺乏Tas1r1基因的小鼠以及mGluR4受体拮抗剂来表征受体。

研究结果

1.脑室膜细胞对氨基酸的反应

为了检查是否能够对氨基酸进行反应，研究者使用Ca2+荧光成像来评估对L-精氨酸（Arg）和L-赖氨酸（Lys）两个必需氨基酸，以及三个非必需氨基酸L-丙氨酸（Ala），L-丝氨酸（Ser）和L-脯氨酸（Pro）的反应。如图1（b-e）所示，脑室膜细胞对来自贴片移液管（图1a）的30s时间的氨基酸泡沫直接响应于Ca2+波。对Lys，Arg和Ala的典型反应见补充影像中。与非必需氨基酸相比，必需氨基酸在较低浓度下诱发更大的反应。Pro没有引发反应（图1d）。当它们直接施用于细胞的顶端表面时，脑室膜细胞仅对氨基酸作出反应：将Arg向下丘脑实质（在第三脑室边缘的100mm侧面）膨化，没有引起Ca2 +升高（图1f中的示例痕迹;中位数DF340 / F380 0.014，四分位数范围（IQR=0.006-0.067，n = 5（4只动物））。对于他们的脑室表面顶端刺激的这种选择性反应与我们以前报道的对葡萄糖的敏感性相似。

对于不同氨基酸，脑室膜细胞的敏感性与原来在舌头味蕾中描述的Tas1r1/Tas1r3鲜度受体的参与相当一致。Tas1r1/Tas1r3的另一个独特特征是变构调节肌苷50-磷酸肌酐（IMP）以增强对氨基酸反应。IMP是一种以浓度依赖性方式（为0.1-10mM）增强鲜味特性的鲜味的化合物，通过与氨基酸结合后，再稳定Tas1r1亚基的封闭确认。在Arg抽吸之前将IMP（0.5-1mM）引入洗浴介质中导致更高的脑室膜细胞的响应幅度（图2a-c），以及显示快速，高反应的细胞数量的增加（DF340 / F380> 0.15基于观察;图2d）。氨基酸敏感性谱和Ca2+信号与IMP的增强显示，氨基酸对脑室膜细胞的反应与预期Tas1r1 / Tas1r3的共享一些特性。2. 氨基酸反应通过ATP受体介导

对舌头味觉受体细胞中氨基酸的反应遵循ATP受体依赖性途径。功能证据表明P2Y1受体存在于脑室膜细胞中，可产生Ca2+信号。因此，研究者首先测试了P2Y1受体是否有效以及选择性P2Y1受体拮抗剂MRS2500是否可以改变对氨基酸的蛋白质反应。他们发现MRS2500本身对Arg诱发的Ca2+反应没有影响。这与其阻断对葡萄糖和甜味化合物的反应的能力形成对比。研究者尝试了更多的拮抗剂：PPADS，苏拉明和亮蓝G，它们在几种P2X和P2Y受体上具有作用。这些拮抗剂都不能有效降低由Arg引起的Ca2+信号。然而，任何P2X拮抗剂和MRS2500的组合成功地减少了对Arg的细胞反应（图2）。这表明需要多个ATP受体来产生响应于Arg的Ca2+波，P2Y1绝对是其中之一。因此，单个拮抗剂的缺乏作用可能由介导反应的多重受体和一次只阻止一个不能显着降低对Arg的反应的事实来解释的。

为了直接研究氨基酸诱发的ATP释放，研究者使用ATP微电极生物传感器。研究者将生物传感器插入靠近脑室膜细胞胞体的下丘脑实质（图3a）。结果发现Ala，Arg和Ser都能够诱发强大的ATP释放（图3b，c）。作者通过将第二个ATP生物传感器放置在离体细胞体不同的距离，测试了脑室膜细胞是否可以从其过程释放ATP。该第二ATP生物传感器记录ATP释放相对于生物传感器延迟到更接近于细胞体的细胞。ATP波速以3.6 mm/s（SD = 1.48，n = 5）的平均速度进入薄壁组织，与Ca2+向下移动的速度相似（图3c）。

为了检测ATP的释放是否依赖于刺激脑室膜细胞体，我们将Ala应用于下丘脑实质，生物传感器放置在靠近脑室膜细胞体的位置。通过这种安排，结果没有释放出ATP，表明需要通过细胞体的氨基酸进行特异性激活（图3d）。这与实质膨化诱发的Ca2+信号缺乏（图1f）一致，支持了假定（观察到ATP释放是必需的）。研究者不能排除星形胶质细胞的下游激活，例如，可以二次有助于记录在软组织中的ATP释放。

3.ATP的释放是通道介导的

作者接下来研究了氨基酸诱发脑室膜细胞的ATP释放的机制。在舌的味觉受体细胞中，已经提出了许多不同的通道作为ATP释放的导管，包括pannexin 1通道（Panx1）和钙稳态调节剂1（CalHM1）。通过连接蛋白43（Cx43）的ATP释放对于脑室膜细胞葡萄糖感染至关重要。研究发现高浓度（100mM）和低浓度（10mM）的碳烯醇（CBX）都降低了对Arg的细胞反应（图4a）。与Cx43相比，较低剂量的CBX对Panx1具有一定的选择性，接下来测试了对Panx1具有选择性的丙磺舒；然而，这对Arg的反应几乎没有影响（图4b）。然后我们使用模拟肽，其具有更大的选择性：10panx阻止Panx1和Gap26阻断Cx43。10panx大大降低了对Arg的反应，但是Gap26没有效果（图4c，d）。因此，研究者得出结论，Panx1有助于Arg诱发的ATP释放。

为了测试CalHM1可能参与脑室膜细胞ATP释放的另外机制，研究者又使用了钌红（RuR;图4e）。虽然RuR对Arg的反应没有影响，但是对Ala测试显示Ca2+信号的强烈降低（图4e，f），表明两个通道Panx1和CalHM1可以释放ATP不同的氨基酸。研究者使用ATP生物传感器重复该测试，直接测量ATP释放。结果发现RuR减少了由Ala引起的脑室膜细胞的ATP释放（4g）。这加强了证据表明，脑室膜激活细胞对氨基酸诱发的ATP释放必要的。4.多鲜味受体参与脑室膜细胞的氨基酸检测

在味蕾中，多个受体参与检测氨基酸。因此，作者试图通过二元遗传策略直接测试Tas1r1/Tas1r3的作用。Tas1r1-Cre小鼠与Rosa26-tauGFP报道小鼠一起繁殖。在后代中，tauGFP报告基因标记正常表达Tas1r1基因的细胞。这些小鼠的下丘脑的共聚焦显像在一些脑室膜细胞，几个神经元和一些室管膜细胞中表达GFP，特别是在后部区域（图5a）。

因此，作者检测了对Tas1r1无效小鼠的脑室膜细胞中的Ca2+信号传导，以检测其对氨基酸的反应是否改变。这些小鼠有报告基因，由截短的大麦凝集素组成，随后是内部核糖体进入位点和mCherry，敲入Tas1r1基因座。

研究发现Tas1r1-缺失的小鼠（雄性和雌性一起分析）显示对Ala的反应没有差异（图5b）。而对Lys和Arg的反应有显著变化。对Lys的反应部分减少（P = 0.0147 ManneWhitney U检验），但对Arg位点的反应没有变化。

为了更好地了解Tas1r1无效小鼠表型的变异性，研究者分析了脑室膜细胞氨基酸在的在小鼠鼠龄方面的影响，但没有发现鼠龄与范围内的任何测试氨基酸的反应有关系。然后我们按性别分别进行回复（图5c）。雄性和雌性都不是通过删除Tas1r1基因而改变的对Ala的反应。Tas1r1缺失的雌性小鼠对Arg的反应强烈降低。然而，与野生型相比，雄性小鼠中对Arg的反应增强。这表明雄性可以补偿Tas1r1基因的损失（可能通过上调其他受体），而雌性小鼠不能。有趣的是，在野生型小鼠中，雌性中的脑室膜细胞对Arg的反应比对照组更敏感（P = 0.0025，ManneWhitney U检验）。这与Tas1r1基因在来自雄性和雌性小鼠的脑室膜细胞中对Arg的反应的不同相关。虽然此结果之前未报道过，但这种性别差异的生物学意义尚不清楚。

由于Ala反应不受Tas1r1缺失的影响，我们调查可能包括在其中的其他已知的鲜味受体（mGluR1和mGluR）。而mGluR1拮抗剂S-4-羧基苯基甘氨酸（4-CPG）对Ala的反应没有任何影响，一种特异性的mGluR4拮抗剂S-2-氨基-2-甲基-4-膦酸丁酸（MAP4），大大地减少了脑室膜细胞对Ala的反应，部分降低了对Lys的反应（图6a-c）。MAP4对Arg的反应没有影响。为了观察MAP4和Tas1r1基因缺失的组合是否对氨基酸反应有更完整的作用，作者研究了MAP4在雄性Tas1r1无效小鼠中的作用。脑室膜细胞对 Ala敏感性的影响仍然很强（图6d），但没有观察到MAP4在Lys或Arg的反应。MAP4对Lys的反应的任何潜在作用可能已经被Tas1r1无效小鼠中对照Lys的反应所掩蔽（P = 0.02，ManneWhitney U检验）。然而，如果mGluR4是缺乏Tas1r1/Tas1r3受体的小鼠中Lys的反应的唯一受体，结果预期在MAP4下的反应更加完整。因此，似乎不太可能，通过上调mGluR4弥补雄性小鼠Tas1r1基因的损失。

研究结果表明，至少有两种通过鲜味受体的脑室膜细胞的氨基酸检测机制：Arg和Lys的Tas1r1/Tas1r3，Ala和Lys的mGluR4（图6e）。有趣的是，艾伦小鼠脑图谱通过原位杂交在中等明显区域的第三脑室周围的室管膜中显示出mGluR4的表达。

研究结论

下丘脑脑室膜细胞可直接感知一系列必需氨基酸和非必需氨基酸，这是介导产生饱腹感的重要信号。而且研究证明了，脑室膜细胞是下丘脑产生饱腹感并减少摄食的生理介质。涉及味觉细胞的两种受体Tas1r1/ Tas1r3异二聚体和mGluR4有助于通过脑脊髓中的细胞检测一系列氨基酸。

参考文献

Amino acid sensing in hypothalamic tanycytes via umami taste receptors .Molecular Metabolism (2017). DOI: 10.1016/j.molmet.2017.08.015

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