MCH功能紊乱与早期AD的关系研究，图片来源网络
2023年5月16日，比利时脑和疾病VIB研究中心Joris de Wit研究团队在Nature neuroscience上发表“Early alterations in the MCH system link aberrant neuronal activity and sleep disturbances in a mouse model of Alzheimer’s disease”，揭示MCH系统的早期改变将阿尔茨海默病小鼠模型中的异常神经元活动和睡眠障碍联系起来。
早期阿尔茨海默病(AD)与海马体过度活跃和睡眠质量下降有关。AD患者前驱期存在睡眠障碍同时伴有突发性的癫痫样放电。在Aβ沉积小鼠模型中，在睡眠和麻醉等低觉醒状态下皮层和海马神经元的过度活跃更为突出，神经稳态可塑性参与调控多种重要的生理过程，神经元的兴奋性处于持续改变状态时主动启动程序化事件，对突触功能进行调节以对抗神经活性的持续性改变，维持正常的神经功能，然而其异常可导致神经网络的兴奋-抑制失衡。认知稳定性表明，在此阶段，稳态可塑性机制被招募来抵消神经元活动与生理窗口的偏差，从而防止认知衰退的早期发作。Pmch基因编码黑色素聚集激素(MCH)前体多肽，加工合成MCH，主要表达在外侧下丘脑，本研究中将MCH确定为AD早期的一个脆弱系统，并提出了一个模型，在该模型中，CA1中MCH依赖性突触功能受损和睡眠-觉醒结构紊乱协同损害神经元稳态。研究表明稳态机制会暂时抵消AppNL-G-F小鼠中CA1神经元兴奋性驱动的增加，但这种机制在老年小鼠中失效。受损的MCH系统功能会导致异常的兴奋性驱动和睡眠缺陷，从而损害海马体依赖性功能。
图一 App-NL-G-F小鼠海马突触可塑性存在时间依赖性变化
电生理结果发现2月龄和3月龄App-NL-G-F小鼠海马CA1脑区锥体神经元自发性兴奋性突触后电流增加且还未出现Aβ沉积，然而4月龄小鼠自发性兴奋性突触后电流减弱，这种突触可塑性在6月龄增强。免疫荧光染色发现4月龄App-NL-G-F小鼠海马CA1脑区神经元激活减少，在6月龄增加激活增多。表明稳态反应最初是在3到4个月之间招募的抵消CA1神经元中兴奋性突触传递的增加，但不足以在6个月时稳定控制突触传递以响应持续的Aβ积累。单细胞测序技术发现3.5月龄App-NL-G-F小鼠海马CA1脑区中200个差异性表达基因中约三分之一与突触可塑性有关，其中Gria1和Gria2编码AMPA受体(AMPAR)亚基表达降低，表达上调最明显的是Pmch。以上结果表明App-NL-G-F 小鼠海马CA1脑区锥体神经元在3月到4月龄之间发生稳态的突触可塑性。
图二 空间转录组学揭示Pmch是可塑性反应的关键参与者
为了确定是否可以在分子水平上检测AppNL-G-小鼠CA1锥体层稳态反应，分析了3.5月龄大时的空间转录组学数据集。从野生型(WT)和AppNL-G-F小鼠中检索了覆盖包含CA1神经元细胞体的锥体层的小组织域(TD)，并量化了基因型之间的差异表达(DE)转录本。前200个DE基因的基因本体论(GO)分析将神经元突触可塑性调节确定为顶级GO类别，五个顶级富集GO类别中的三个与突触过程相关。然后，将前200个DE基因与稳态突触可塑性经典模型的四个转录组学和蛋白质组学数据集交叉引用，发现62个DE基因至少在其中一个数据集中被调节。其中，21个基因在SynGO数据库中也具有突触功能，这些包括Arc、Nptx1和Epha4等基因，它们根据神经元活动的变化进行调节，以及编码AMPAR亚基的Gria1和Gria2，这些基因在AppNL-G-F小鼠的CA1中都被下调。与电生理学和免疫组织化学观察结果一致，空间转录组学分析揭示了3.5月龄鼠AppNL-G-F CA1锥体层中稳态突触可塑性反应的分子特征。空间转录组学分析显示，3.5月龄时AppNL-G-F小鼠的CA1锥体区中上调最多的基因是Pmch， Pmch编码的前原黑色素浓缩激素肽，该肽进一步加工成多种肽，包括MCH。虽然没有精确的海马突触功能归因于该肽，但有研究提出其功能性MCH受体1 (MCHR1)参与可塑性。此外，在海马体中注射MCH可促进记忆，MCH下丘脑阳性神经元在睡眠期间的新奇感检测和记忆巩固中发挥作用。通过单分子荧光原位杂交和可用的单细胞测序数据集证实Pmch mRNA主要在位于下丘脑外侧区（LHA）的神经元中表达，WT或AppNL-G-F CA1中的兴奋性和抑制性神经元和神经胶质细胞均不表达Pmch。LHA中的 MCH神经元广泛投射其富含MCH的轴突末端，包括投射到背侧CA1区域。因此，空间转录组学分析在CA1中检测到的Pmch表达升高表明MCH阳性轴突中Pmch mRNA的增加，CA1锥体神经元确实表达MCHR1。
图三 海马MCH调控稳态突触可塑性
为进一步证实MCH在海马突触可塑性中的作用进行离体细胞实验，结果发现孵育MCH可减弱海马神经元兴奋性突触后电流，在给与GABAB受体激动剂后可明显阻断MCH诱发的突触强度减弱效应。3月龄App-NL-G-F小鼠CA1脑区锥体神经元孵育MCH后也可明显减弱微小兴奋性突触后电流，结果表明MCH降低了海马体的兴奋性突触强度。接下来，作者用MCH肽处理在多电极阵列(MEA)上生长的培养的WT海马神经元，并记录24小时内的神经元活动，MCH应用导致平均放电率持续下降。为了测试MCH是否调节稳态机制，使用GABAB受体激动剂巴氯芬，在MCH存在的情况下应用巴氯芬会导致平均放电率暂时降低，这些结果表明MCH肽限制了平均放电率重整化的活性依赖性补偿机制。为了揭示MCH诱导反应的分子相关性，对经MCH处理的海马神经元进行了批量RNA测序，MCH治疗持续下调了几个与神经元兴奋性和突触可塑性有关的基因，包括Nr4a1（下调最多的基因）、Fos、Fosb、Fosl2、Arc和Npas4，Bdnf和Ptgs2。MCH应用还诱导了Spry2、Ptgs2和Sik1的下调以及Prokr2和Klhl24的上调。这些变化已被证明可以保护神经元在红藻氨酸介导的反应和癫痫期间免受兴奋性毒性。总之，该结果表明，从CA1区域的MCH轴突释放的MCH可以通过降低突触强度、平均放电率以及神经元兴奋性相关和突触可塑性相关基因的表达来保护CA1锥体神经元免受异常兴奋。
图四 AppNL-G-F小鼠中活跃的MCH神经元比例减少和快速眼动睡眠受到干扰
MCH不仅下调突触强度和平均放电率，同时调节海马神经元的稳态机制并逆转AppNL-G-F CA1锥体神经元的异常兴奋活动。与6月龄的WT小鼠相比，AppNL-G-F小鼠的MCH神经元活动是否发生了改变，此时CA1兴奋性活动稳定性丧失。MCH神经元在快速眼动(REM)睡眠期间最活跃，并与LHA中促进清醒状态的食欲素(Hcrt/Ox)阳性神经元混合在一起。量化cFos阳性MCH神经元和Hcrt/Ox神经元的百分比发现，6小时睡眠剥夺(SD)后，以及6小时睡眠剥夺后4小时的睡眠反弹，在此期间MCH神经元非常活跃。睡眠反弹增加了WT小鼠中cFos阳性MCH神经元的百分比。然而在AppNL-G-F小鼠中，这种睡眠反弹诱导的MCH神经元的百分比增加受到抑制。以上结果表明AppNL-G-F小鼠在6月龄时的睡眠反弹后活跃的MCH神经元的百分比降低。
图五 AD早期海马MCH 轴突形态出现紊乱
在经历睡眠剥夺后出现睡眠反弹过程中，WT小鼠海马脑区MCH阳性神经元激活增多，但在App-NL-G-F小鼠并没有出现这种增强。进一步记录不同睡眠时期时长，结果发现App-NL-G-F小鼠快速眼动睡眠时间减少，但非快速眼动睡眠和觉醒时期两个阶段维持时间未发生变化。免疫荧光染色发现6月龄App-NL-G-F小鼠海马脑区MCH阳性信号面积增多，为了确定AppNL-G-F小鼠中的这些观察结果是否与人类相关，分析了AD患者死后海马切片中的MCH轴突形态，发现在AD患者中也能观察到类似变化。在睡眠剥夺和睡眠反弹期野生型小鼠海马脑区MCH阳性信号个数增多，然而App-NL-G-F小鼠并不存在这种变化，这些结果表明App-NL-G-F 小鼠MCH阳性轴突形态出现障碍。
CA1中MCH依赖性突触功能受损和 REM睡眠扰动协同损害神经元稳态，导致CA1中的异常神经元活动，可能增加癫痫发作的易感性。AppNL-G-F小鼠在腹膜内注射低于阈值剂量的GABAA受体拮抗剂戊四氮(PTZ)后更容易发生癫痫发作，并且发现急性睡眠扰动会增强这种情况。该研究所提出的模型为先前在AD早期观察到的异常神经元活动、睡眠障碍和记忆形成受损提供了细胞和分子基础。体内平衡的细胞调节剂对 AD相关病理学的反应失败在疾病进展中起着关键作用。最近研究表明AD小鼠模型中鼻内输注MCH可以改善记忆力并降低可溶性Aβ水平。然而，由于操纵 MCH系统导致的广泛的行为和代谢影响在将这些结果直接转化为人类治疗选择时需要谨慎。MCH介导的神经元稳态受损可能与其他神经退行性疾病和精神疾病广泛相关。综上所述，本文揭示了AD疾病早期海马MCH功能紊乱后引起异常的兴奋性神经元驱动作用，诱发稳态突触可塑性障碍，并破坏睡眠结构。
https://www.nature.com/articles/s41593-023-01325-4
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