宇航员在太空飞行中会面临多种环境压力，如辐射、微重力、狭小空间、噪音和昼夜节律失调等，这些应激源会导致宇航员生理、心理发生适应性改变[1]。作为人体的重要系统之一，中枢神经系统更易受到空间复杂环境危害，引起神经元结构及功能退化，从而导致宇航员认知下降和行为障碍，如焦虑和抑郁等[2,3]，其中长期抑郁症（long-term depression，LTD）的发生会对宇航员产生严重的负面影响。大脑中神经细胞间的连接被称为突触可塑性，是大脑最基本和最重要的功能之一，其结构和功能异常是抑郁症发生的重要病理机制，涉及海马、皮质等情绪调节的核心区域。研究表明，在抑郁症患者中，调节突触可塑性的突触后膜受体蛋白NR2B、PSD-95和nNOS水平以及NO和BDNF的表达存在区域特异性变化[4,5]。近年来，microRNA作为关键的生物调节因子，其在神经精神疾病（尤其是抑郁症）的关键生物学过程的调控中发挥着重要作用，引起科研人员的广泛关注[6]。然而，目前microRNA对空间复合环境下抑郁发生的病理途径的调节和功能机制还知之甚少。2023年1月17日，北京理工大学空间生物与医学工程创新团队邓玉林课题组在Journal of Neurochemistry发表了题目为“Opposing manner of miR-455-3p against NR2B-PSD-95-nNOS complex in the cortex and hippocampus of depressive rats under simulated complex space environment”的文章，提出了miR-455-3p对空间模拟抑郁大鼠突触可塑性相关蛋白复合体NR2B-PSD-95-nNOS的调节作用。王晗和Madiha Rasheed为论文共同第一作者，邓玉林教授和陈姿喧副研究员为论文通讯作者。在此项研究中，作者发现在空间模拟条件下抑郁大鼠的皮质和海马区，miR-455-3p和NR2B-PSD-95-nNOS复合体的表达具有区域异质性。进一步机制研究表明，miR-455-3p靶向PSD-95，并与TrkB-BDNF信号一起协同调节NR2B-PSD-95-nNOS复合体的表达，同时可以降低氧化应激、一氧化氮、炎症细胞因子和线粒体缺陷发生，发挥神经保护作用。该文丰富了我们对空间复合环境下突触可塑性变化的认识，揭示microRNA是空间环境下抑郁症的早期诊断及治疗的潜在生物标志物。作者首先构建航天复合模型SCSE大鼠（simulated complex space environment group，SCSE），一方面通过蔗糖偏好实验和强迫游泳实验分析抑郁相关的异常行为，一方面对海马和皮质区进行氧化应激检测，结果暗示SCSE大鼠的抑郁病理可能是由大脑皮层和海马氧化还原平衡紊乱导致的。进一步作者发现在SCSE模型皮质区和海马区miR-455-3p和NR2B-PSD-95-nNOS复合体的表达具有区域异质性，即皮质区显示出上调的miR-455-3p和下调的NR2B-PSD-95-nNOS复合体，海马区显示出下调的miR-455-3p和上调的NR2B-PSD-95-nNOS复合体（图1A-B,E-L），这些结果提示皮质区和海马区miR-455-3p和NR2B-PSD-95-nNOS复合体的失调可能受到miR-455-3p表达的调控。为了进一步探讨miR-455-3p调节NR2B-PSD-95-nNOS复合物的的功能意义，作者从SCSE环境中选择“微重力”作为主要致病因素构建了大鼠海马神经元细胞系（Rat hippocampal neuronal cell lines，RHNC）体外细胞模型。通过转染miR-455-3p-inhibitor/mimics来调节miR-455-3p的表达量，作者观察到NR2B-PSD-95-nNOS复合物的表达以及下游通路BDNF-TrkB的表达趋势和miR-455-3p的表达呈现负相关，荧光素酶报告实验进一步证明miR-455-3p和PSD-95蛋白的靶向关系，这些结果表明miR-455-3p是PSD-95蛋白的潜在靶点，其失调表达进一步影响PSD-95及其相关蛋白在神经元中的表达。图1 miR-455-3p和NR2B-PSD-95-nNOS复合体的的区域异质性表达（Rasheed, Madiha, et al., J Neurochem, 2023)前期研究表明NR2B-PSD-95-nNOS复合物的过表达会引起细胞毒性的发生，包括ROS和NO水平的增加等。为了进一步探讨miR-455-3p对NR2B-PSD-95-nNOS复合物的调节功能，利用细胞转染实验作者发现，与对照组相比，转染miR-455-3p-mimics的RHNC细胞的氧化应激水平、NO水平显著降低，同时炎症细胞因子（IL-6、IL-1β、L-18）的表达没有显著变化，这些结果表明miR-455-3p的高表达可以缓解SCSE缓解下NR2B-PSD-95-nNOS复合物高表达产生的细胞毒性。图2 高表达miR-455-3p的RHNC细胞活力检测（Rasheed, Madiha, et al., J Neurochem, 2023)线粒体生物发生和动力学在维持突触连接、神经元存活中扮演重要角色。为了进一步明确高表达的miR-455-3p在缓解神经元毒性的作用，作者一方面分析线粒体的生物发生和动力学基因表达，一方面对细胞活力进行检测，结果表明，与对照组相比，高表达的miR-455-3p可以增强细胞活力（图2），平衡线粒体生物发生/动力学反应。这些结果进一步证明：miR-455-3p的上调对微重力环境中的RHNC细胞具有神经保护作用。图3 在模拟复杂空间环境下miR-455-3p调节NR2B-PSD-95-nNOS复合物诱导抑郁发生的机制（Rasheed, Madiha, et al., J Neurochem, 2023)综上所述，该研究通过构建体内和体外航天复合环境模型，揭示了miR-455-3p表达对抑郁大鼠大脑皮层和海马中NR2B-PSD-95-nNOS复合体表达的影响，提示miR-455-3p在微重力条件下诱导皮层区域的适应性反应以及其高表达对海马区的神经保护功能（图3）。因此，miR-455-3p是潜在的诊断及治疗抑郁的生物靶标，值得进一步研究确定太空飞行诱导的抑郁症治疗方法。不足的是，作者只从体外模型的角度验证，若要更好地理解miR-455-3p在空间诱发抑郁症和其他神经疾病中的保护机制，还需要进一步利用航天动物模型和突变的NR2B-PSD-95-nNOS复合动物模型进行研究。
原文链接： https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36648213/
通讯作者：邓玉林教授（左）、陈姿喧副研究员（右）（照片提供自：邓玉林团队）
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参考文献（上下滑动查看）
[1]Clément GR, Boyle RD, George KA, Nelson GA, Reschke MF, Williams TJ, Paloski WH. Challenges to the central nervous system during human spaceflight missions to Mars. J Neurophysiol. 2020 May 1;123(5):2037-2063. doi: 10.1152/jn.00476.2019. Epub 2020 Apr 15. PMID: 32292116[2]Jandial R, Hoshide R, Waters JD, Limoli CL. Space-brain: The negative effects of space exposure on the central nervous system. Surg Neurol Int. 2018 Jan 16;9:9. doi: 10.4103/sni.sni_250_17. PMID: 29416906; PMCID: PMC5791508[3]Parihar VK, Allen B, Tran KK, Macaraeg TG, Chu EM, Kwok SF, Chmielewski NN, Craver BM, Baulch JE, Acharya MM, Cucinotta FA, Limoli CL. What happens to your brain on the way to Mars. Sci Adv. 2015 May 1;1(4):e1400256. doi: 10.1126/sciadv.1400256. PMID: 26180843; PMCID: PMC4500198.[4]Ugalde-Triviño L, Díaz-Guerra M. PSD-95: An Effective Target for Stroke Therapy Using Neuroprotective Peptides. Int J Mol Sci. 2021 Nov 22;22(22):12585. doi: 10.3390/ijms222212585. PMID: 34830481; PMCID: PMC8618101.[5]Chen X, Nelson CD, Li X, Winters CA, Azzam R, Sousa AA, Leapman RD, Gainer H, Sheng M, Reese TS. PSD-95 is required to sustain the molecular organization of the postsynaptic density. J Neurosci. 2011 Apr 27;31(17):6329-38. doi: 10.1523/JNEUROSCI.5968-10.2011. PMID: 21525273; PMCID: PMC3099547.[6]Beheshti A, Ray S, Fogle H, Berrios D, Costes SV. A microRNA signature and TGF-β1 response were identified as the key master regulators for spaceflight response. PLoS One. 2018 Jul 25;13(7):e0199621. doi: 10.1371/journal.pone.0199621. PMID: 30044882; PMCID: PMC6059388.