Current Biology︱陈忠团队在组胺调控摄食机制方面取得新成果：H2受体依赖的内侧隔核组胺能回路
撰文︱徐玲钰
责编︱王思珍
肥胖症（obesity）是一种由于体内脂肪过度累积造成的疾病，可造成肝肾功能损伤并增加II型糖尿病、心脑血管疾病及癌症等疾病的患病概率，目前已对全球超过6亿人口的健康造成威胁，造成每年全球约四百万人的死亡[1, 2]。但遗憾的是目前临床尚缺乏安全有效的控制食物摄入，而临床上治疗肥胖症的药物易造成呕吐、心律失常等副作用，甚至影响情绪与认知功能，导致焦虑、抑郁及药物依赖等精神问题，患者依从性差[3–5]。摄食行为调控的神经环路及分子机制尚未完全阐明是限制抗肥胖症药物研发的重要原因。
2022年3月25日，浙江大学药学院的陈忠教授团队在Cell子刊Current Biology在线发表了题为“An H2R-dependent medial septum histaminergic circuit mediates feeding behavior”的论文，报道了组胺调控摄食的机制方面的最新研究成果。该研究利用光遗传学，化学遗传学，药理学手段，结合食源性肥胖模型和基因干预等多种技术，首次发现下丘脑结节乳头核至内侧隔核组胺能神经的直接投射可双向调控摄食行为，组胺通过激活内侧隔核谷氨酸能神经元上的H2受体，从而发挥抑制摄食及调控体重的作用。
组胺（histamine）是一种重要的神经递质和神经调质，主要由组胺能神经元合成并释放。组胺能神经元起源于下丘脑结节乳头核（tuberomammillary nucleus，TMN），广泛地投射至全脑，对多种脑功能发挥调节作用，如睡眠觉醒、学习记忆、摄食行为等[6]。早期研究提示组胺能神经主要通过作用于腹内侧下丘脑或下丘脑室旁核抑制摄食行为[7–9]。近年来，下丘脑以外的脑区在摄食行为调控中的作用也得到越来越多的重视。有研究发现TMN损毁后饥饿大鼠的食物搜寻行为减少，与此同时皮层多个区域、腹侧基底前脑、背外侧被盖区等脑区内的神经元激活被抑制[10, 11]。但长期以来，组胺能神经元调控摄食行为的具体作用特征及神经环路机制尚未被完全解析清楚。因此，非常有必要进一步解析组胺能神经在摄食行为调控中的神经环路机制并发现安全有效的药物干预靶点。
为此，课题组首先构建了HDC-CreERT2小鼠，并在该小鼠的TMN注射AAV-CAG-Flex-ArchT-EGFP 病毒，利用全脑显微光学切片断层成像技术（fMOST）对组胺能神经投射进行全脑三维重构后发现：内侧隔核内组胺能神经纤维密度高。近年研究发现内侧隔核（medial septum，MS）在摄食行为调控中发挥了重要作用，通过光遗传学或药理遗传学分别调控MS内三种类型神经元（胆碱能、谷氨酸能、GABA能神经元）均可引起摄食量的显著变化[12–14]，但其上游的调控机制仍不清楚，且调控MS功能的分子靶点亦未见报道。
那么，组胺能神经与MS是否存在直接的功能联系并通过MS调控摄食行为呢？为此，我们利用在体钙信号光纤记录结合组胺荧光探针，在小鼠摄食过程中实时监测TMN组胺能神经元胞体的钙信号及MS组胺含量变化。结果显示：在小鼠进食时，组胺能神经元胞体钙信号及MS组胺含量均伴随性下降（图1）。进一步利用光遗传学技术特异性抑制MS内的组胺能神经末梢可显著增加小鼠摄食量，但特异性激活MS内的组胺能神经末梢显著抑制摄食（图2）。
图 1 组胺能神经元胞体钙信号及MS组胺含量在小鼠摄食时均伴随性下降
（图源：Xu L, et al., Current Biology, 2022）
图 2 激活或抑制TMNHA-MS环路可双向调节摄食
（图源：Xu L, et al., Current Biology, 2022）
为了明确组胺能神经元至MS的直接投射，本研究在光遗传学激活MS组胺能神经末梢后利用免疫组化检测MS内神经元活性标志物cfos的表达情况，结果显示激活MS组胺能神经末梢后MS内激活的神经元主要为谷氨酸能神经元。且狂犬病毒（RV）跨单级突触逆追结果以及钙信号试验结果表明，MS的谷氨酸能神经元与TMN组胺能神经元有着功能与结构上的双重联系。不仅如此，利用药理遗传学抑制MS谷氨酸能神经元活性可以逆转激活MS组胺能神经末梢对摄食行为的抑制作用（图3）。以上结果提示TMN组胺能神经与MS谷氨酸能神经元存在直接的功能联系，且直接调控该投射可双向调控摄食行为。
图 3 TMNHA-MS的主要投射下游为MS谷氨酸能神经元
（图源：Xu L, et al., Current Biology, 2022）
那么，TMN至MS的组胺能神经投射调控摄食的受体亚型是什么呢？早期研究利用侧脑室注射或下丘脑局部注射组胺H1或H2受体拮抗剂，发现仅H1受体拮抗剂可促进大鼠的摄食行为，因此长期以来组胺调控摄食行为的作用一直被认为是由H1受体介导，H2受体不参与摄食行为的调控。但意外的是，本研究首次发现：光遗传学激活MS组胺能神经末梢诱导的摄食抑制作用可以被H2受体，而非H1受体拮抗剂所取消（图4）。同时，用HCN通道（即超极化激活环核苷酸门控通道）阻断剂ZD7288 拮抗H2下游的HCN通道拮抗也能逆转激活该通路引起的抑制摄食作用，提示MS内组胺通过激活H2，而不是H1受体发挥调控摄食行为的作用。
为了验证是否是MS谷氨酸能神经元内的H2受体特异性介导了摄食行为，本文进一步利用了原位杂交与免疫荧光技术检测食源性肥胖小鼠MS不同类型神经元内H2受体的表达情况，结果发现：相较于正常体重小鼠，食源性肥胖小鼠MS谷氨酸能神经元内H2受体水平显著下降，但MS胆碱能神经元与GABA能神经元内H2受体水平没有显著性变化（图4），提示MS内H2受体在摄食行为调控中可能具有细胞特异性作用。
图 4 TMNHA-MS环路主要通过下游H2R受体调控摄食行为
（图源：Xu L, et al., Current Biology, 2022）
进一步地，为了探究MS谷氨酸能神经元内的H2受体是否与肥胖的发生相关。本研究利用Cre-Loxp技术在vglut2-Cre小鼠的MS注射条件性H2受体敲降病毒以特异性敲降MS谷氨酸能神经元内的H2受体，结果同样显示：特异性敲降MS谷氨酸能神经元内的H2受体可以促进食源性肥胖模型中小鼠的体重增长；且长时期通过micro-pump给药系统给予临床H2R激动剂amthamine也可以有效延缓肥胖小鼠的体重增长（图5）。以上结果提示MS谷氨酸能神经元内的H2受体可以进一步通过调控谷氨酸能神经元活性并参与到肥胖症的发生中。
图 5 特异性敲降或激动MS谷氨酸能神经元上的H2受体可双向调控肥胖小鼠体重
（图源：Xu L, et al., Current Biology, 2022）
综上所述，本研究首次发现结节乳头核（TMN）至内侧隔核（MS）组胺能神经的直接投射可双向调控摄食行为，组胺通过激活MS谷氨酸能神经元内的H2受体发挥抑制摄食并最终调控体重的作用。这是H2受体首次被报道在特定神经环路中扮演了调控摄食和体重的重要作用，而其他神经元环路特异性的组胺受体作用还也有待进一步探究。本研究有助于阐明组胺能神经元调控摄食行为的神经环路及分子机制，为安全有效地调控肥胖症患者摄食行为提供潜在的药物干预新靶点，并为肥胖症的临床治疗提供干预新策略。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cub.2022.03.010
该研究论文第一作者为浙江大学药学院博士生徐玲钰，浙江大学药学院博士生林文凯为共同第一作者，陈忠教授为本文的唯一通讯作者。本研究也得到了北京大学李毓龙教授的大力支持和帮助。
第一作者徐玲钰（下排左数第六位），共同第一作者林文凯（上排左数第五位），通讯作者陈忠教授（上排右数第八位）
（照片提供自：浙江大学陈忠教授实验室）
陈忠教授课题组长期从事慢性脑病的发病机制解析与药物新靶点研究[15–19]。其中脑内组胺能神经元的的神经药理学功能其课题组重要的方向之一，前期系列研究发现组胺参与精神分裂症、缺血性脑损伤等中枢神经系统疾病的发生的细胞特异性作用机制，在Nature Communications、Stem cell reports、Journal of Experimental Medicine等知名期刊发表论文[20–23]，并受邀在国际著名药理治疗学杂志Pharmacology&Therapeutics撰写综述[24]，总结中枢组胺及其受体的最新研究进展。
【1】Front Cell Neurosci︱施鹏/刘振课题组合作揭示多种因素感音性听力损失的共有分子机制
【21】Cell Death Dis︱李纤课题组揭示少突胶质前体细胞铁死亡在脑出血后白质损伤中的作用
【3】Front Mol Neurosci︱高尚邦课题组解析运动神经元震荡子的构成与分子机制
【4】Nat Neurosci综述︱双光子全息光遗传学技术探测神经编码
【5】Mol Psychiatry︱生物钟基因Bmal1在自闭症及小脑共济失调的小鼠模型中的作用
【6】Science︱小鼠快速眼动睡眠由基底外侧杏仁核多巴胺信号调节
【7】Nat Neurosci︱双相情感障碍患者杏仁核和前扣带回神经免疫和突触相关通路下调
【8】Nat Commun︱周小明/孙子宜团队根据Sigma-1受体开放式构象揭示其配体进入途径的分子机制
【1】科研技能︱第四届近红外脑功能数据分析班（线上：2022.4.18~4.30）
【2】科研技能︱磁共振脑网络分析入门班（线上：2022.4.6~4.16）
【4】单细胞测序与空间转录组学数据分析研讨会 （2022.4.2-3 腾讯在线）
参考文献（上下滑动查看）
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制版︱王思珍
本文完