mPFC-Notch1信號通過Hes1抑制GABAB1受體表達介導METH誘導的精神障礙

METH是一種被廣泛濫用的興奮劑藥物，其具有強烈的成癮性，并且大劑量或長期使用METH會誘發(fā)精神障礙(MIP)。MIP表現(xiàn)出與精神分裂癥(SCZ)相似的癥狀，包括多動、躁動及認知缺陷等，盡管SCZ和MIP有相似之處，但MIP的發(fā)病機制與SCZ不同，目前人們對其發(fā)病機制還知之甚少。雖然Notch1信號通路已被證明在一些精神疾病的發(fā)病機制中發(fā)揮作用，但其在MIP中的作用仍不清楚。

2022年6月22日，西安交通大學法醫(yī)學院陳騰教授、官方霖教授團隊等在Molecular Psychiatry期刊上發(fā)表“Medialprefrontal cortex Notch1 signalling mediates methamphetamine-inducedpsychosis via Hes1-dependent suppression of GABAB1 receptor expression”的研究工作。這項研究揭示了mPFC神經(jīng)元Notch1信號通路在調(diào)控MIP中的重要作用，并提出了Notch1-Hes1-GABAB1途徑調(diào)控MIP的新機制。

圖1：論文圖

高度保守的Notch信號通路參與干細胞的發(fā)育及分化。Notch受體Notch1可以調(diào)節(jié)從無脊椎動物到哺乳動物大腦功能中的突觸可塑性和長期記憶。而在MIP中突觸可塑性和記憶能力均受到影響，這意味著Notch1可能與MIP的神經(jīng)功能損傷有關(guān)。已有研究表明，Notch1失衡與多種精神疾病的發(fā)病機制相關(guān)，如SCZ、抑郁和焦慮。然而，Notch1通路是否以及如何參與MIP仍不清楚。在METH致敏后，小鼠mPFC、伏隔核(NAc)和海馬(Hip)中GABA轉(zhuǎn)運體和受體的表達發(fā)生變化，而Notch1信號轉(zhuǎn)導與GABA轉(zhuǎn)運體或受體存在關(guān)聯(lián)。因此，作者推測Notch1信號通過調(diào)控GABA能基因表達參與MIP神經(jīng)功能障礙。

01 首先，研究人員建立了METH小鼠模型（METH sensitized），并對其進行了曠場實驗驗證其表型。結(jié)果顯示METH小鼠具有顯著的焦慮樣表型。然后作者評估了與精神病相關(guān)的mPFC、NAc和海馬腦區(qū)的Notch1信號水平，其中僅有mPFC中Notch1、Jagged1、RBP-J和Hes1信號相關(guān)的mRNA水平下降，而NAc、海馬中則沒有變化。因此，作者選擇mPFC作為目標腦區(qū)。隨后作者建立SCZ小鼠模型，并對其進行了行為學測試。結(jié)果顯示：SCZ小鼠在曠場中活動能力增強而在中 央停留時間減少，高架迷宮（EPM）中進入開放臂的次數(shù)減少，社交測試(SIT)中社交時間減少，懸尾測試(TST)中靜止時間增加，新物體識別測試(NOR)中認知得分減少。這些表型確實與METH致敏小鼠類似，然而在SCZ小鼠mPFC中，Notch1信號相關(guān)的mRNA水平未發(fā)生顯著變化。
 

圖2：Notch1信號通路在METH致敏小鼠mPFC中特異性下調(diào)
 

02 在接下來的研究中，研究人員使用Notch1信號通路抑 制劑DAPT注射到小鼠mPFC中，發(fā)現(xiàn)DAPT緩解了METH小鼠的焦慮樣癥狀。下調(diào)mPFC神經(jīng)元Notch1胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（NICD）還可以緩解METH的相關(guān)行為學障礙——認知障礙，抑郁及焦慮表型，并增加其在社交測試中的社交時間。而使用syn-NICD-shRNA和syn-NICD-OE分別抑 制和增強mPFC神經(jīng)元胞內(nèi)Notch1信號通路的活動可以分別緩解和加劇METH小鼠的焦慮樣癥狀。
 

圖3：mPFC中Notch1信號的差異化表達能夠調(diào)節(jié)MIP行為
 

03 mPFC神經(jīng)元活性的失調(diào)是引起MIP的關(guān)鍵因素。為了驗證在METH誘導的運動缺陷中，mPFC神經(jīng)元活性是否與Notch1信號有關(guān)，課題組使用shRNA下調(diào)了mPFC神經(jīng)元NICD表達水平，并使用光纖記錄技術(shù)（瑞沃德光纖記錄系統(tǒng)）同步記錄mPFC神經(jīng)元的鈣信號：結(jié)果顯示第1天急性METH給藥后鈣信號顯著下降，而在第23天給藥后其鈣信號顯著下降后短時間內(nèi)又恢復正常，同時與給藥前信號相比顯著降低。而當給予生理鹽水，急性期及激發(fā)期不同組信號均未見明顯變化。
 

圖4：mPFC中NICD的下調(diào)可以減弱致敏小鼠的神經(jīng)元活性

04  METH誘發(fā)運動致敏的動物模型伴有抑 制性神經(jīng)遞質(zhì)（GABA等）和興奮性神經(jīng)遞質(zhì)（谷氨酸等）的失調(diào)，同時Notch1信號與GABA受體和轉(zhuǎn)運體蛋白表達相關(guān)。為了驗證GABA能系統(tǒng)與Notch1信號調(diào)節(jié)METH致敏機制相關(guān)，實驗結(jié)果顯示：METH小鼠mPFC中GABA受體和轉(zhuǎn)運體的mRNA表達水平下降，而與急性METH組相比，間歇給藥組組GABAAß1、GABAB1和GAT1的mRNA水平顯著上調(diào)。此外，增強或減弱Notch1信號可分別下調(diào)和上調(diào)GABAB1受體和轉(zhuǎn)運體的mRNA表達水平。此外，免疫熒光雙染檢測發(fā)現(xiàn)Notch1與GABAB1受體在mPFC細胞中的共表達，表明mPFC中Notch1可能負向調(diào)控GABAB1受體的表達。
 

圖5：mPFC中Notch1信號負調(diào)控GABAB1受體的表達

05 Hes1是Notch1信號的下游轉(zhuǎn)錄抑 制因子，在神經(jīng)元中表達并控制GABA能分化。當增強或減弱Notch1信號可分別上調(diào)和下調(diào)Hes1表達水平，而GABAB1受體水平變化則相反。JASPAR數(shù)據(jù)庫的結(jié)果也預測了Hes1在GABAB1啟動子上具有3個潛在結(jié)合位點。另外ChIP-qPCR結(jié)果顯示，在GABAB1受體啟動子的特異性結(jié)合位點(引物3)，Hes1明顯富集。

圖6：Notch1信號通過Hes1直接調(diào)節(jié)GABAB1受體的表達

06 最 后，研究人員同時調(diào)控小鼠mPFC中Notch1和GABAB受體的活性，并測試METH致敏行為。通過phaclofen和baclofen分別抑 制和興奮GABAB受體，可以逆轉(zhuǎn)syn-NICD-shRNA和syn-NICD-OE對METH敏化小鼠的行為學改變。而syn-NICD-shRNA和syn-NICD-OE組中GABAB2受體表達沒有變化。
 

圖7：Notch1信號通過GABAB1受體調(diào)節(jié)METH誘導的運動缺陷

總結(jié)

使用METH誘導的嚙齒動物運動致敏模型，作者發(fā)現(xiàn)在致敏小鼠的內(nèi)側(cè)前額葉皮層(mPFC)中，Notch1信號下調(diào)。Notch1信號轉(zhuǎn)導通過調(diào)控mPFC的神經(jīng)元活動并雙向改變METH誘導的運動致敏和其他MIP行為。此外，Notch1信號通路通過Notch1信號通路中的轉(zhuǎn)錄抑 制因子Hes1負調(diào)控METH致敏小鼠mPFC中GABAB1受體的表達。同時，作者證明了Hes1可以直接結(jié)合GABAB1受體啟動子，mPFC中GABAB受體的藥理學調(diào)節(jié)逆轉(zhuǎn)了由Notch1信號轉(zhuǎn)導功能障礙引起的METH誘導的運動致敏的變化。

研究人員的發(fā)現(xiàn)揭示了一個之前未被識別的Notch1-Hes1-GABAB1受體依賴機制，該機制涉及MIP中mPFC神經(jīng)元活動和行為表型的調(diào)節(jié)，提出了Notch1信號傳導與MIP相關(guān)的神經(jīng)可塑性之間的重要關(guān)聯(lián)。這些發(fā)現(xiàn)將為MIP的研究提供機制見解，并促進MIP新療法的開發(fā)。

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原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41380-022-01662-z.pdf