Nature Neuroscience | 何彦林等揭示白脂素通过小脑参与调节动物的口渴行为

引言

白脂素（Asprosin）是哺乳动物在饥饿时主要由白色脂肪组织分泌的一种激素【1】。Asprosin既能够快速诱导葡萄糖的生成并且调控肝脏中葡萄糖的释放【1, 2】；同时，白脂素也可以作用于中枢神经系统，通过结合其受体蛋白酪氨酸磷酸酶受体 delta 型 (Ptprd) 进而改变小电导钙激活钾通道 3 (SK3) 来调节下丘脑 AgRP 神经元的活动，从而调节食物摄入量【3】。进一步的研究发现，Ptprd受体除大量表达在AgRP神经元上，几乎所有小脑浦肯野 (Purkinje) 神经元都表达Ptprd受体。小脑因其在运动学习、协调、认知、食欲、情绪和自主神经控制中的多种作用而受到广泛研究【4-5】，但人们对其在调节体液稳态中的作用知之甚少。然而，少数研究发现小脑代谢活动与水摄入量相关【6】；反之，当动物处于缺水状态会影响小脑血流量【7-8】，这些研究都表明小脑可能在动物口渴调节中发挥作用。但是，有关小脑神经元调节动物口渴的神经生物学机制尚不清楚。

2024年7月10日，美国潘宁顿生物医学研究中心何彦林课题组与凯斯西储大学Atul Chopra课题组合作在Nature Neuroscience上发表题为The Cerebellum Modulates Thirst的研究论文，首次发现白脂素（asprosin）通过小脑浦肯野神经元参与调节动物口渴与饮水等行为。

首先，研究人员发现在asprosin缺乏 (Fbn1NPS/+) 和全基因Ptprd受体敲除（Ptprd-/-）的小鼠中，除了有消瘦、食欲减退等表型之外，还伴随有日均饮水不足的现象。在与年龄和性别匹配的同窝野生型（WT）小鼠相比较时，成年 Fbn1NPS/+和Ptprd-/-小鼠的每日饮水量明显降低，并伴随有尿量降低，尿液渗透压升高，血浆渗透压不变等现象。紧接着，研究人员给正常WT小鼠注射靶向asprosin的单克隆中和抗体（anti-asprosin mAb），用来减少正常小鼠血液中有活性的asprosin。作为对照组，正常WT小鼠注射了等量的GFP蛋白。结果显示，在没有食物的情况下，注射了中和抗体的小鼠每日饮水量显著低于对照小鼠。这个结果进一步证明，asprosin调节生理学饮水是和采食没有联系的。进一步的研究发现，当利用病毒质粒（Ad5-Asprosin）在WT和Ptprd-/-小鼠体内同时过表达asprosin之后，WT小鼠出现显著的饮水增加表型。而缺乏asprosin受体的Ptprd-/-小鼠确没有出现饮水增加的现象。这个结果证明，asprosin调节小时饮水功能需要Ptprd受体。同时，利用转基因小鼠特异地将Ptprd受体从AgRP神经元里面敲除，条件敲除Ptprd的小鼠（Ptprdflox/flox/AgRP-Cre）相较于对照组小鼠 (Ptprdflox/flox) 而言，并没有出现饮水变化的现象。这个结果说明，存在其他一部分表达Ptprd受体的神经元，参与asprosin调节饮水的功能。

为了找到这类特殊的神经元，研究人员使用碱性磷酸酶 (AP) 标记的asprosin在体外进行了一项全脑范围的蛋白-细胞结合研究。研究结果表明，在人体和小鼠脑组织当中，asprosin蛋白在小脑和下丘脑均有很高的结合作用。利用荧光定量PCR进一步检测发现，小鼠小脑组织当中结合asprosin蛋白的主要是浦肯野神经元（Purkinje）和颗粒神经元（Granule neuron）。体外电生理记录结果显示，asprosin可以显著激活所有purkinje神经元(Purkinje cell protein (Pcp2) 标记的神经元) 的活性而只有少部分的小脑颗粒神经元被asprosin激活。当利用Cre-Loxp技术（Ptprdflox/flox小鼠和Pcp2-Cre小鼠杂交的后代Ptprdflox/flox/Pcp2-Cre小鼠）特异地将Ptprd从Pcp2阳性神经元里面敲除之后，asprosin就失去了激活浦肯野神经元的特性。体外电生理记录和在体钙成像实验结果表明，缺乏Ptprd 受体的小脑浦肯野（Pcp2阳性）神经元，无法被asprosin激活。进一步的整体动物实验表明，利用光遗传和化学遗传技术，特异地激活小脑浦肯野神经元，可以显著增加生理性饮水量。条件敲除小脑浦肯野Ptprd受体的小鼠（Ptprdflox/flox/Pcp2-Cre），相较于对照组小鼠（Ptprdflox/flox）而言，日均饮水量有显著的下降。值得一提的是，不管是在饱腹 (well fed)，禁食后喂食 (refed after fasting) ，禁水后再喂水（given re-access to water after water deprivation）等条件下，小脑浦肯野神经元敲除Ptprd受体的小鼠，都存在没有性别差异的饮水下降的表型。

需要特别指出的是，研究人员利用在体电生理记录，整体动物运动功能测定等方法，进一步证明，小脑浦肯野神经元缺乏Ptprd受体之后，没有对浦肯野神经元正常生理功能和小鼠的运动，学习记忆等功能造成影响。最后，研究人员让小鼠处于不同渗透压情况下进行饮水测试，研究结果表明，Ptprd受体从浦肯野神经元定向敲除的小鼠相较于对照组小鼠，没有显著的饮水变化。这些结果证明，asprosin是通过小脑浦肯野神经元上Ptprd受体来调节生理性饮水功能。这个调节功能是独立于采食或者渗透压变化的。

这项研究揭示了小脑中一个保守的口渴中心，它对外周产生的激素（如白脂素asprosin）信号做出反应，根据机体的需求向任一方向调节饮水量 （Figure 1）。这有可能成为治疗多饮、少饮和厌食等口渴症的重要治疗目标。

Figure 1. 外周分泌的白脂素通过小脑浦肯野神经元调节动物饮水功能（Credit: Nature Neuroscience）

参考文献

1 Romere, C. et al. Asprosin, a Fasting-Induced Glucogenic Protein Hormone. Cell 165, 566-579, doi:10.1016/j.cell.2016.02.063 (2016).

2 Duerrschmid, C. et al. Asprosin is a centrally acting orexigenic hormone. Nat Med 23, 1444-1453, doi:10.1038/nm.4432 (2017).

4 Koziol, L.F., et al., Consensus paper: the cerebellum's role in movement and cognitions. Cerebellum, 2014. 13(1): p. 151-77.7.

5 Sader, M., G.D. Waiter, and J.H.G. Williams, The cerebellum plays more than one role in the dysregulation of appetite: Review of structural evidence from typical and eating disorder populations. Brain Behav, 2023. 13(12): p. e3286.

6 Stroh, M.A., et al., NCB5OR Deficiency in the Cerebellum and Midbrain Leads to Dehydration and Alterations in Thirst Response, Fasted Feeding Behavior, and Voluntary Exercise in Mice. Cerebellum, 2018. 17(2): p. 152-164.

7 Saker, P., et al., Regional brain responses associated with drinking water during thirst and after its satiation. Proc Natl Acad Sci U S A, 2014. 111(14): p. 5379-84.

8 Parsons, L.M., et al., Neuroimaging evidence implicating cerebellum in support of sensory/cognitive processes associated with thirst. Proc Natl Acad Sci U S A, 2000. 97(5): p. 2332-6.

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