Nat Neurosci︱MeCP2磷酸化: 快速抗抑郁药的持续抗抑郁作用的分子机制
撰文︱徐俊楠
责编︱王思珍
抑郁症（depression）是一种心理健康疾病，其临床表现主要体现在日常活动中明显的兴趣减弱、失眠或睡眠过多、食欲发生巨大的改变或体重改变、长期的内疚感甚至自杀倾向。抑郁症的发病机制非常复杂，至今还没有明确的定论。生活在现代社会这样快节奏、高压力的环境中，抑郁症的发病率逐年升高。因此，寻找抑郁症有效的治疗手段迫在眉睫。
传统的抗抑郁药，仅对部分抑郁症患者有效，且通常需要数周才能发挥抗抑郁作用【1】。然而，快速抗抑郁药，如氯胺酮（ketamine），可发挥迅速且持续的抗抑郁作用【2, 3】。东莨菪碱（scopolamine），一种毒蕈碱乙酰胆碱受体的拮抗剂，也已被证明在1天内可以产生抗抑郁作用，甚至可以维持数天【4】。
目前，关于氯胺酮快速抗抑郁的研究认为，其作为一种N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体的非竞争性拮抗剂，使钙/钙调蛋白依赖性的真核延伸因子2激酶（eEF2K）的失活，引起如脑源性神经营养因子（BDNF）等蛋白质的合成，进而增加突触后膜上AMPA受体的数量，并导致AMPA受体介导的谢氏侧支谢氏侧支（Schaffer collateral）到CA1的兴奋性突触后场电位迅速且持久地增强【5-7】。类似于氯胺酮的抗抑郁作用，这种氯胺酮介导的突触增强同样依赖于BDNF【5, 6】。
东莨菪碱也可以增加BDNF的释放，并激活BDNF高亲和力受体原肌球蛋白受体激酶B（TrkB）。对于东莨菪碱的抗抑郁作用，BDNF也是必要的【8, 9】。
因此，氯胺酮和东莨菪碱的快速抗抑郁作用都需要BDNF的参与，但其机制不同，提示了不同机制诱发的依赖于BDNF的快速抗抑郁作用有一个初始的汇聚点，这也是将来实现快速抗抑郁药结构筛选、设计和改造重要研究基础的必要前提。
氯胺酮和东莨菪碱对神经元功能、BDNF表达和行为有快速影响【5, 6, 9】；然而，目前还不清楚这些药物是如何引起持续数天或数周的长期变化的。转录依赖的机制在持久性突触和行为变化中发挥了关键作用【10】。
2021年6月28日，美国德克萨斯州大学西南医学中心的Lisa M. Monteggia团队在Nature Neuroscience上在线发表了题目为Sustained effects of rapidly acting antidepressants require BDNF-dependent MeCP2 phosphorylation的最新研究文章，揭示了两种速效抗抑郁药物的持续性抗抑郁的共同分子机制，并发现了一种具有潜在治疗前景的关键分子MeCP2。
甲基化结合蛋白2（MeCP2）、cAMP反应元件结合蛋白（CREB）和肌细胞增强因子2C（MEF2C）是三种可将突触活性和Ca2+信号传导的改变转化为突触效能持续变化的转录因子【11-16】。有研究表明，在BDNF上调和神经元激活的作用下，MeCP2在S421位点磷酸化（pMeCP2）【11-12】，CREB在S133位点磷酸化（pCREB）【13-14】，MEF2C是树突棘和突触数量以及突触功能的关键调节因子，并对活性的长期变化做出响应【15-16】。那么，氯胺酮和东莨菪碱的持续抗抑郁作用是否依赖于这些因素？抗抑郁作用是否可能涉及转录机制？
首先，这三种转录因子是否与持续的抗抑郁作用有关？作者发现，小鼠氯胺酮在注射后30分钟内可以迅速发挥抗抑郁作用，并且在小鼠上可以持续7天以上，BDNF在30分钟后表达水平增加，7天后重新回到基线水平，pMeCP2水平在30分钟并无变化，但在第7天增加（图1a,b）。这暗示：pMeCP2可能参与氯胺酮的持续性抗抑郁作用。
Mecp2基因421位点的丝氨酸（S）突变为丙氨酸（A），可阻止该位点的磷酸化。因此，作者构建了Mecp2 S421A敲入（KI）小鼠，并发现，在强迫游泳实验中，与对照组相比，7天后KI小鼠的“不动状态”（即“行为绝望状态”）时间并没有减少（图1c,d），这说明pMeCP2对于氯胺酮的持续性，但非快速性的抗抑郁作用是必不可少的。此外，当小鼠前脑中条件性敲除Bdnf后，氯胺酮治疗不再增加海马pMeCP2水平，且第7天该小鼠的“不动状态”时间也未降低（图1e, f），这提示：氯胺酮介导的pMeCP2水平的增加可能依赖于BDNF。换言之，BDNF依赖的pMeCP2对于氯胺酮的持续抗抑郁反应至关重要。
图1 BDNF依赖的pMeCP2对于氯胺酮的持续抗抑郁反应至关重要
（图片引自：Kim, J.-W. et al. Nat Neurosci. 2021）
为了进一步确认转录机制是否对氯胺酮的长期抗抑郁作用至关重要，作者在小鼠注射氯胺酮前30分钟给予了放线菌素D（一种转录抑制剂），并发现，在第7天氯胺酮介导的“不动状态”时间的减少了，这提示转录依赖的过程是氯胺酮长期抗抑郁作用的前提（图2a）。然而，相同条件下，均未观察到pCREB或CREB水平的任何变化（图2 b）。为了评估氯胺酮的抗抑郁作用是否需要转录因子MEF2C，作者又构建了Mef2c的条件性敲除小鼠，且小鼠的“不动状态”时间在氯胺酮治疗后30分钟和7天都减少，表明氯胺酮的快速和长期效果不依赖于MEF2C（图2 c-d）。
以上所有数据表明：作为BDNF的潜在下游效应因子， pMeCP2和相关的转录机制是氯胺酮持续抗抑郁作用所需要的。
图2 CREB和MEF2C不参与氯胺酮的持续抗抑郁作用
（图片引自：Kim, J.-W. et al. Nat Neurosci. 2021）
正如背景部分所介绍的，氯胺酮介导的突触增强也被认为是快速抗抑郁作用的神经基质【5-7】。在此，脑片电生理记录表明，氯胺酮注射后，突触增强作用可以持续7天，且增强作用超过2倍（图3 a-c）；7天后海马中pMeCP2水平的上调是突触启动和再可塑性的必要条件，这可能与氯胺酮长期抗抑郁作用有关（图3 d-e）。
图3 pMeCP2对于氯胺酮诱导的SC-CA1突触再塑性至关重要
（图片引自：Kim, J.-W. et al. Nat Neurosci. 2021）
BDNF介导的长期抗抑郁影响的下游靶点尚不清楚。东莨菪碱的快速抗抑郁效果同样依赖于BDNF【8, 9】。因此，东莨菪碱是否是BDNF的潜在下游靶点呢？在此，作者发现，东莨菪碱治疗8小时后，BDNF的mRNA和蛋白水平都有明显增加，小鼠的“不动状态时间”也减低，而pMeCP2和总MeCP2水平却在24小时后上调（图4 a-c）。东莨菪碱治疗的确可以上调海马pMeCP2的水平，而且，与氯胺酮类似，东莨菪碱也需要BDNF依赖的MeCP2磷酸化来诱导持续的抗抑郁反应（图4 d-h）。
图4 BDNF依赖的pMeCP2介导的东莨菪碱持续抗抑郁作用
（图片引自：Kim, J.-W. et al. Nat Neurosci. 2021）
随后，作者也检测了东莨菪碱治疗对突触增强的影响。结果表明，东莨菪碱可以通过降低胆碱能水平和增加突触前释放几率来挽救被抑制的海马突触应答，即使移除东莨菪碱，其诱导的突触效应也可以维持，这可能是一个持续性的机制（图5 a-f）。结果也表明，pMeCP2在突触前应答变化（即增强突触前释放几率）的后期特异性地发挥关键作用，这与东莨菪碱需要pMeCP2产生持续抗抑郁作用一致（图5 g, h）。而且，BDNF在快速和持续的突触效应中发挥了重要作用（图5 i）。换言之，BDNF在抗抑郁作用早期的突触前功能中起着关键作用，而pMeCP2是维持东莨菪碱所诱导的这些突触前变化的重要因子。后续实验也证明，东莨菪碱介导的MeCP2磷酸化和谢氏侧支到CA1的突触前功能的持续变化是由于毒蕈碱乙酰胆碱受体M1在突触前末端的拮抗作用，而非突触突触后的变化（图6 a-c）。
图5 磷酸化MeCP2对于东莨菪碱突触前释放几率的持续改变至关重要
（图片引自：Kim, J.-W. et al. Nat Neurosci.2021）
图6 吡伦西平上调MeCP2磷酸化并增加释放概率
（图片引自：Kim, J.-W. et al. Nat Neurosci. 2021）
最后，为了进一步验证氯胺酮和东莨菪碱诱导的长期行为效应，作者利用皮质酮诱导抑郁症动物模型，并采用悬尾试验检测小鼠的“不动状态”时间，以评估长期抗抑郁效果。结果表明，皮质酮治疗21天，小鼠“不动状态”时间增加，氯胺酮单次治疗第7天的“不动状态”时间低于对照组（图7a）。同样，东莨菪碱治疗后24小时，小鼠不动状态”时间降低，并维持到了第7 天（图7b）。
图7 氯胺酮和东莨菪碱在皮质酮诱导的抑郁症动物模型中的持续抗抑郁作用。
（图片引自：Kim, J.-W. et al. Nat Neurosci. 2021）
图8 氯胺酮和东莨菪碱抗抑郁快速与持续的机制
（图片引自：Johnson, S. & Liston, C. Nat Neurosci. 2021【17】）
氯胺酮可以迅速缓解抑郁症状，甚至对难治性抑郁患者也是如此；然而，在没有其他干预措施的情况下，这些患者抑郁症的复发也是常见的现象，找到这一关键靶点从而为实现情绪状态的持续改善和延长抗抑郁作用提供了进一步的研究基础。
本研究除了发现MeCP2信号通路在维持氯胺酮和东莨菪碱的抗抑郁作用方面的作用外，还提出了几个有趣的问题。例如，他们利用海马脑片作为模型来理解抗抑郁药物对环路功能的影响，但是氯胺酮的抗抑郁作用似乎涉及到包括前额叶皮质、外侧僵核、腹侧背盖区等许多脑区，这些区域如何互相作用？还需要进一步地研究。本研究也发现，氯胺酮和东莨菪碱增加了海马中的pMeCP2水平但是并没有改变前额叶皮层中pMeCP2的表达，因此是否存在一条从海马到其他脑区的神经环路，或者其他关键分子参与到不同脑区在持续抗抑郁中发挥的作用。此外，揭示突触再可塑性的下游潜在机制，可能会对氯胺酮治疗如何产生更有效、更持久的抗抑郁作用提供关键的见解。
总之，这项研究表明了pMeCP2和相关的突触可塑性是氯胺酮和东莨菪碱持续抗抑郁作用的关键决定因素（图8）。
原文连接： https://doi.org/10.1038/s41593-021-00868-8
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制版︱王思珍
本文完