Nature子刊：首次解析NFκB信号和大脑糖皮质激素受体活性在抑郁症不同阶段的特征

神经炎症的微调对大脑稳态和免疫反应都至关重要

在炎症过程中，核因子-κ-B(nuclear factor-κ-B，NFκB)在细胞对各种刺激的响应中发挥重要作用。与之对应的，当糖皮质激素受体(glucocorticoid receptors，GRs)与糖皮质激素(glucocorticoids，GCs)结合时，它们发挥重要的免疫抑制和抗炎作用，并且通过GR拮抗NFκB的促炎作用。因此作者推测，由于NFκB和GR间的互作导致的GR活性的功能失调可能诱发抑郁症。然而，目前基于技术的限制，我们对两者的相互作用理解还不清楚。

2021年1月22日，韩国基础科学研究所的Young-Min Han等通过外源性给予脂多糖（LPS）诱导小鼠抑郁行为，并使用一种改进的基于慢病毒的报告基因阐明了NFκB和GR活性在抑郁行为不同阶段的时间特征。

作者将下边缘前额皮质(infralimbic prefrontal cortex，IL-PFC，对应于人类腹内侧PFC)作为与抑郁症相关的代表性大脑区域。真皮组织作为一个代表性的身体区域，因为免疫系统在各个方面都积极地维持皮肤稳态。此外，研究人员使用LPS诱导小鼠抑郁模型，该模型短期内表现出时间依赖性行为，如疾病的早期症状和后期短暂的抑郁样行为。

NFκB活性的变化为其信号转导参与疾病早期、正常期和抑郁样期三个阶段奠定了分子基础。在正常期和抑郁样期，脑GR活动的变化不同程度地参与NFκB信号的转换。中期GR以糖皮质激素依赖的方式有效抑制NFκB，而晚期GR则无抑制作用。此外，作者还揭示了基础GR活性在早期NFκB信号转换中的潜在作用：通过RU486阻断GR活性导致大脑NFκB表达增加，从而导致疾病早期抑郁样行为发生。

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主要研究内容

目前针对于NFκB-GR的靶向转录本研究中，由于它们的基因启动子的不同结构导致基因表达混乱，以至于这种确切的互作机制仍未被研究透彻。另外，终点分析（endpoint analysis）引起的个体变异是干扰研究的另一个障碍。因此，作者没有试图研究NFκB-GR的转录特性，而是将重点放在了利用体内成像技术对NFκB-GR信号相互作用的纵向监测上。

1.真皮和IL-PFC中NFκB活性的观察

为了监测NFκB的体内活性，首先，作者用6×NFκB-TATA DNA片段取代之前的慢病毒GR-Luc报告基因的5×GRE-AIEP，并命名为NFκB-luc报告基因。然而，在通过生物荧光信号图像(bioluminescent signal image，BLI)监测NFκB活性时，发现报告基因不足以监测IL-PFC或真皮中的NFκB激活。因此，作者开发了一种改进的NFκB-Luc2CP报告基因，用Luc2CP取代Luc，以获得更高的时间分辨率和更强的荧光强度。

用这种改进的报告基因监测NFκB活性，发现给予LPS后2小时真皮细胞NFκB激活明显；但IL-PFC中仍未发现NFκB激活。为了排除个体内变异可能造成的误差，在给予LPS后36小时内对同一受试小鼠的IL-PFC和真皮进行了NFκB双监测试验，发现了两种组织内差异性的NFκB激活，尤其是在LPS处理后2小时，真皮NFκB活性出现明显峰值，但IL-PFC无活性。同时，在LPS作用后的8-12 h, IL-PFC和真皮中NFκB均被激活，但无显著差异。IL-PFC组织免疫组化(IHC)分析显示，激活的小胶质细胞在晚期也显著增加。

接着在指定的时间点分别进行旷场实验(OFT)和强迫游泳实验(FST)，以阐明抑郁样行为与信号活动的联系。LPS刺激诱导的时间依赖性行为结果显示，在LPS刺激后1-6小时内OFT总移动距离(TDM)增加，在LPS刺激后10-12小时内FST不动时间减少。时间依赖性的行为结果似乎与NFκB激活以一种组织特异性的方式相关。比较轨迹图显示，真皮中NFκB激活与TDM增加的早期行为相关。相比之下，IL-PFC 中NFκB激活与FST不动时间减少的晚期行为相关。

图1 IL-PFC和真皮中NFκB的不同响应

2.GR对NFκB活性抑制不同时间点的表现

接下来，作者使用RE-Luc2CP报告基因对GR活动进行了双重监测。与NFκB激活的差异不同，在所有时间点中IL-PFC和真皮之间相比，GR激活没有差异，但在中后期观察到显著的GR激活。在真皮NFκB的轨迹中，可以注意到在中期出现了中断，与之对应，GR在中期的轨迹与NFκB相反，提示中期GR与高水平GC结合后激活，在调节过度炎症反应中起关键作用。相反，后期GR似乎没有抑制作用，这可以从GR和NFκB的相似轨迹以及随后的抑郁样行为得到证明。

 图2 GR参与了NFκB活性的抑制

在LPS处理前，先使用RU486阻断基础GR活性，以确定低GR活性是否足以抑制IL-PFC中的NFκB活性。结果显示，与对照组相比，RU486处理组的GR活性在前期显著降低，而NFκB活性则显著升高。在早期和晚期也观察到抑郁样行为的出现。从LPS对后期GR活性的影响可以看出，RU486清除后GR激活的反弹似乎是由细胞因子引起的。 

 图3 RU486诱导早期脑NFκB激活及相应的抑郁样行为

3.GR介导NFκB信号通路的转导作用

为了解GR在中期对NFκB的抑制作用，采用PCR方法研究已知抑制NFκB信号通路的8个GR特异性基因与32个NFκB应答基因之间的的负相关系数。如下图中相关系数显示，编码ANXA1(24.17%)和IκBα(39.27%)的两个GR特异性基因大多呈负相关。10个时间点的延时热图也显示，ANXA1和IκBα主要呈负相关。但负相关性在所有时期都普遍存在。然而，在对四个周期的另一项分析中，与7个NFκB应答基因的负相关系数主要发现在中期。这些负相关在中期大多被RU486处理转化为正相关(下图d)。

这些结果表明，ANXA1和IκBα这两种GR特异性基因，在躯体-大脑炎症扩散过程中通过抑制NFκB参与保护抑郁样行为。

综上所述，作者认为GR对NFκB的抑制作用在躯体-大脑炎症扩散过程中随时间而改变。

 图4 通过qPCR法对NFκB-GR相互作用的转录分析

结论本研究首次监测体内瞬时NFκB和GR活性，以解释在躯体-大脑炎症扩散过程中，GR如何通过基础的以及激活的下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴对NFκB发挥抑制作用，阐明了HPA轴作为炎症相关抑郁症起源的作用。这一发现可以帮助我们了解HPA轴功能失调如何引起药物抵抗性抑郁症的发生，从而指导治疗。此类体内信号转换分析方式也提供了一个技术框架来阐明信号通路的异常如何导致各种精神疾病发生，同时也为COVID-19感染等引起的系统性炎症导致抑郁症的分子机制提供了新见解。
参考文献

Han, YM., Kim, M.S., Jo, J. et al. Decoding the temporal nature of brain GR activity in the NFκB signal transition leading to depressive-like behavior. Mol Psychiatry (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41380-021-01016-1

编译：Sheena（brainnews创作团队）

校审：冰山一角/VAN（brainnews编辑部）

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