2018年1月8日,加州大学旧金山研究所(UC San Francisco,UCSF)1、丹麦哥本哈根大学(University of Copenhagen)和南丹麦大学(University of Southern Denmark)2、英国帝国理工学院和里尔大学3等机构同期在《Nature Genetics》发表三篇文章,颠覆了人们对初级纤毛的旧认识,证明除神经元之间的突触化学或电沟通以外,长期不受重视的初级纤毛(primary cilia)化学信号对大脑平衡能量和摄食行为非常重要作用。

小鼠下丘脑神经元(红色,细胞核标记为蓝色)和它们的初级纤毛(绿色)

  一项小鼠和两项人类遗传学研究分别描述了腺苷酸环化酶3(adenylyl cyclase 3,ADCY3)和黑色素皮质素受体(melanocortin 4 receptor,MC4R)两种蛋白质在肥胖和糖尿病发展中的重要作用。定位于下丘脑神经元纤毛的MC4R蛋白质影响小鼠进食量;巴基斯坦格陵兰岛和美国等地人口遗传学分析表明,神经纤毛基因ADCY3变异可导致肥胖和糖尿病风险增加。

  现代人肥胖流行主要受环境因素驱动,包括唾手可得得无限热量和久坐不动的生活方式。然而,并非所有处于相同(不健康)环境的人都会超重。研究表明,遗传因素占不健康体重增加的40-70%。ADCY3是历史上首个与肥胖相关的单基因突变,该基因功能对控制体重起关键作用。

  1990s以来,遗传学家已经证明,导致人类严重超重的大多数基因变异似乎破坏了大脑下丘脑(hypothalamus)的神经网络。“饥饿回路”可监测瘦素(leptin)水平,利用这些信息调节食欲和能量消耗以保持体重稳定。瘦素基因本身或者监测或响应瘦素的相关神经基因发生突变发生突变的人(和小鼠),由于无法感知身体已经储存了大量脂肪,就会不断进食,好像一直在挨饿一样。

  该系统的工作原理脂肪细胞分泌瘦素,当瘦素经过位于下丘脑的弓状核(arcuate nucleus)时,神经元将瘦素水平信息呈递给下丘脑室旁核(paraventricular nucleus,PVN)的一组神经元,这组神经元负责评估瘦素水平高(代表体内有多余脂肪)或低(代表能源储备危机)。根据这些信息PVN神经元向其他脑区发出指令,协调机体食欲和能量水平。

  最初引起科学家们注意的是一类罕见疾病纤毛病(Ciliopathies),突变基因影响纤毛功能,患者出现多(手指)脚趾、视网膜退化和肥胖等症状。“成年小鼠神经元初级纤毛基因突变,会导致肥胖,证明纤毛病的肥胖表现可能与初级纤毛在神经元中的功能有关。”

纤毛病(Ciliopathy)

  研究人员通过小鼠模型证实突变MC4R(一类参与摄食调节的G蛋白偶联受体)编码基因是严重肥胖(BMI>40)的最常见遗传因素之一。

  UCSF遗传学家Christian Vaisse和同事发现,弓状核神经细胞生产的化学信号被富集在PVN一组神经元初级纤毛上的MC4R分子受体感知,MC4R基因突变与瘦素水平调节的饥饿回路相关。

(Christian Vaisse)

  “我们认为,神经元初级纤毛上的MC4R突变是导致人类严重肥胖的重要环节,”Vaisse说。

  通过荧光标记研究人员发现,MC4R与ADCY3共定位在初级纤毛上。特异性地阻断含有MC4R神经元纤毛上的ADCY3,会导致小鼠肥胖。预示着人类肥胖可能也与ADCY3蛋白有关。

(MC4R和ADCY3在PVN神经元纤毛上的定位情况)

  另外两项人类研究证实了Vaisse的猜测,人类遗传学研究表明导致ADCY3功能缺陷的遗传变异会增加个体患肥胖和2型糖尿病风险,是导致单基因遗传严重肥胖的主因。

  这些发现为全球肥胖症流行提供了一个新的解决视角——纤毛上的受体信号。

  整个大脑的神经元都有纤毛,这是否意味着纤毛可能对神经元存在广泛影响,比如影响奖赏、学习和记忆以及情绪状态神经网络等等。

  很多疾病缺乏有效药物治疗的原因是,大多数患者的患病机理还没被真正理解。初级纤毛MC4R信号下游究竟还发生了什么,仍有待阐明。当这条通路的确切生物学机理被彻底揭开的时候,就是人类有办法治疗纤毛病遗传缺陷的时候。

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