Sci Adv︱刘际团队揭示下丘脑GLP-1信号通过下行迷走神经环路调控血糖代谢的神经机制
来源︱“岚翰生命科学”姊妹号：“逻辑神经科学”
撰文︱黄兆欢
责编︱王思珍
近年来，一类新型的临床药物胰高血糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1,GLP-1）的激动剂表现了高效的降糖效果，并且GLP-1诱导的胰岛素释放依赖于循环中的血糖水平，这使得基于GLP-1的疗法较其他胰岛素促分泌剂更不易导致低血糖[1,2]，成为II型糖尿病治疗研究的新热点。GLP-1是一种脑肠肽，作用靶点包括外周和中枢神经系统。在外周，GLP-1在餐后从肠道分泌，并根据葡萄糖的可获得性增加胰岛素的释放[1,3-6]。在中枢神经系统中，GLP-1主要由孤束核（NTS）[7,8]内的神经元亚群产生。GLP-1神经元向前脑的不同区域，特别是下丘脑室旁核（PVN）和下丘脑背内侧核（DMH）的摄食控制中心发出强健的投射[9,10]。目前，相比较外周作用机制的研究，GLP-1在中枢的作用位点和分子机制并不完全清楚。研究中枢GLP-1是否直接影响血糖代谢及其作用机制将有助于理解GLP-1类药物对血糖代谢的调控。
2022年6月9日，中国科学技术大学刘际课题组在Science Advances上发表了题为“Glucose-sensing glucagon-like peptide-1 receptor neurons in the dorsomedial hypothalamus regulate glucose metabolism”的文章。该研究发现在下丘脑背内侧核DMH中存在一组葡萄糖敏感的GLP-1受体（GLP-1R）神经元，通过脑干的迷走神经系统投射至胰腺，激活该神经环路可降低血糖水平，为GLP-1类似药物调控血糖的中枢神经机制提供了生理证据。
研究人员利用病毒示踪、光遗传结合膜片钳技术在GCG-Cre小鼠上确认了NTSGLP-1神经元→DMH神经元的突触联系（图1 A-G）。在GCG-Cre小鼠的NTS注射AAV-DIO-ChR2,并在下游的DMH埋入光纤，发现特异性的激活NTSGLP-1神经元→DMH的神经环路能够显著降低小鼠的空腹血糖水平（图1 J, K）。但光激活NTSGLP-1→DMH的神经环路会引起GLP-1和谷氨酸的共释放，因此为确定内源的GLP-1是控制血糖所必须的，研究人员在GCG-Cre小鼠的DMH注射retro-AAV-DIO-hM3Dq并埋置套管，发现选择性激活NTSGLP-1到DMH神经环路所引起的血糖降低能够被GLP-1的拮抗剂Exn9所逆转（图1 L, M）。这部分结果证明：激活NTSGLP-1投射到DMH的神经纤维末梢释放GLP-1是下调血糖水平所必须的。
图1 DMH中的内源性GLP-1信号可降低血糖水平
（图源：Zhaohuan Huang, et al., Sci Adv, 2022）
接着，研究人员为探究直接激活DMHGLP-1R神经元是否也能影响血糖代谢，在GLP-1R-Cre小鼠的DMH注射AAV-DIO-hM3Dq，发现通过化学遗传直接激活DMHGLP-1R神经元也能显著降低空腹血糖水平（图2 A, B），说明激活DMHGLP-1R神经元确实能下调血糖水平。随后，研究人员利用脑膜片钳技术进一步证明GLP-1是通过cAMP-PKA通路抑制延迟整流电压门控钾通道激活DMHGLP-1R神经元，进而调控血糖水平（图2 C-K）。
图2 GLP-1通过抑制延迟整流钾电流调控DMHGLP-1R神经元活动
（图源：Zhaohuan Huang, et al., Sci Adv, 2022）
有研究表明，中枢GLP-1对饮食的调节依赖于机体的营养状态[5,11]，研究发现GLP-1在高营养状态下较低营养状态具有更高降低血糖水平的能力,并且在高营养状态下，GLP-1激活GLP-1R神经元的放电频率更高（图3 C-H）。以上结果表明GLP-1和葡萄糖之间存在协同效应。为进一步地探究这种协同效应，作者在GLP-1R-Cre小鼠DMH注射AAV-DIO-GCaMP6病毒，利用体外钙成像结合膜片钳技术，结果发现当灌注5mM葡萄糖（模拟高营养转态），大多数的DMHGLP-1R神经元的钙信号及放电频率显著升高（图3 I-L）。以上结果说明DMHGLP-1R神经元是葡萄糖敏感性神经元，且大多数是兴奋性的。
图3 DMHGLP-1R神经元是葡萄糖感受器
（图源：Zhaohuan Huang, et al., Sci Adv, 2022）
最后，研究人员确定了DMHGLP-1R神经元介导降糖作用的下游靶点。他们在GLP-1R-Cre小鼠的DMH注射AAV-DIO-synaptophysin-GFP病毒，在NTS、DMV、RPa均发现有纤维投射，进一步地利用输出特异性单突触病毒追踪和光遗传技术，确认了NTS→DMHGLP-1R→DMV神经环路参与葡萄糖代谢（图4 A-D, G, H）。DMV迷走神经的下行纤维分支投射到肝脏和胰腺，分别调节葡萄糖稳态和胰岛素释放[12,13]。为分离DMHGLP-1R神经元与外周代谢中心之间的“脑外周”连接，作者在肝脏和胰腺分别注射逆向跨多级突触的PRV（伪狂犬病毒），发现DMHGLP-1R主要投射到胰腺，并且通过套管给予Exn4和化学遗传激活DMHGLP-1R神经元能显著增加血浆胰岛素水平，以上结果说明DMH的GLP-1信号对血糖的调节是通过脑干和迷走神经的下行调控来调节胰岛素细胞的活性，释放胰岛素，降低血糖。
图4 GLP-1通过DMH-DMV-胰腺的下行调控来降低血糖
（图源：Zhaohuan Huang, et al., Sci Adv, 2022）
图5 文章总结图：GLP-1通过胰腺介导降糖效应
（图源：Zhaohuan Huang, et al., Sci Adv, 2022）
综上所述，该研究发现在下丘脑背内侧核DMH中存在一组葡萄糖敏感的GLP-1R神经元，源自脑干NTS的内源性GLP-1与DMH中GLP-1R神经元结合增加细胞内cAMP水平，随后cAMP依赖的PKA通路抑制延迟整流电压门控钾通道，引起GLP-1R神经元的激活。背内侧核GLP-1R神经元再通过迷走神经背侧运动核（DMV）投射至胰腺，激活该神经环路可上调胰岛素的分泌，从而引起血糖水平降低（图5）。有研究表明DMH神经元是二级副交感胰腺投射神经元，也可能是三级交感胰腺投射神经元[14]。此外，副交感神经和交感神经运动核之间的密切相互作用也可能调节胰岛素的释放[15,16]。因此，DMH的GLP-1R神经元是否对交感和副交感神经活动都有双重调节作用，还需要进一步的研究。
原文链接：http://doi.org/10.1126/sciadv.abn5345
该研究工作主要由中国科学技术大学刘际研究员课题组与美国Rutgers大学Zhiping Pang教授和中国科学技术大学占成教授等合作完成，中国科学技术大学刘际研究员为该论文的通讯作者。中国科学技术大学博士后黄兆欢、博士生刘玲、博士后张健为该论文第一作者。该工作得到了国家自然科学基金委员会基金、中国科学技术大学类脑技术与应用国家工程实验室和中科院脑功能与脑疾病重点实验室平台支持。
共同第一作者黄兆欢（左）、刘玲（中）、张健（右）
(照片提供自：中国科学技术大学刘际课题组)
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参考文献（上下滑动阅读）
1. D. J. Drucker, Mechanisms of action and therapeutic application of glucagon-like
peptide-1. Cell Metab. 27, 740–756 (2018).
2. D. J. Drucker, J. F. Habener, J. J. Holst, Discovery, characterization, and clinical
development of the glucagon-like peptides. J. Clin. Invest. 127, 4217–4227 (2017).
3. J. J. Meier, B. Gallwitz, W. E. Schmidt, M. A. Nauck, Glucagon-like peptide 1 as a regulator
of food intake and body weight: Therapeutic perspectives. Eur. J. Pharmacol. 440,
269–279 (2002).
4. G. C. Weir, S. Mojsov, G. K. Hendrick, J. F. Habener, Glucagonlike peptide I (7-37) actions
on endocrine pancreas. Diabetes 38, 338 (1989).
5. D. Sandoval, J. G. Barrera, M. A. Stefater, S. Sisley, S. C. Woods, D. D. D’Alessio,
R. J. Seeley, The anorectic effect of GLP-1 in rats is nutrient dependent. PLOS ONE 7,
e51870 (2012).
6. L. A. Scrocchi, B. A. Marshall, S. M. Cook, P. L. Brubaker, D. J. Drucker, Identification
of glucagon-like peptide 1 (GLP-1) actions essential for glucose homeostasis in mice
with disruption of GLP-1 receptor signaling. Diabetes 47, 632–639 (1998).
7. J. J. Holst, The physiology of glucagon-like peptide 1. Physiol. Rev. 87, 1409–1439
(2007).
8. P. J. Larsen, M. Tang-Christensen, J. J. Holst, C. Orskov, Distribution of glucagon-like
peptide-1 and other preproglucagon-derived peptides in the rat hypothalamus
and brainstem. Neuroscience 77, 257–270 (1997).
9. G. Gu, B. Roland, K. Tomaselli, C. S. Dolman, C. Lowe, J. S. Heilig, Glucagon-like peptide-1
in the rat brain: Distribution of expression and functional implication. J. Comp. Neurol.
521, 2235–2261 (2013).
10. R. P. Gaykema, B. A. Newmyer, M. Ottolini, V. Raje, D. M. Warthen, P. S. Lambeth,
M. Niccum, T. Yao, Y. Huang, I. G. Schulman, T. E. Harris, M. K. Patel, K. W. Williams,
M. M. Scott, Activation of murine pre-proglucagon-producing neurons reduces food
intake and body weight. J. Clin. Invest. 127, 1031–1045 (2017).
11. D. L. Williams, D. G. Baskin, M. W. Schwartz, Leptin regulation of the anorexic
response to glucagon-like peptide-1 receptor stimulation. Diabetes 55, 3387–3393
(2006).
12. K. N. Browning, F. H. Coleman, R. A. Travagli, Characterization of pancreas-projecting rat
dorsal motor nucleus of vagus neurons. Am. J. Physiol. Gastrointest. Liver Physiol. 288,
G950–G955 (2005).
13. A. Pocai, S. Obici, G. J. Schwartz, L. Rossetti, A brain-liver circuit regulates glucose
homeostasis. Cell Metab. 1, 53–61 (2005).
14. R. M. Buijs, S. J. Chun, A. Niijima, H. J. Romijn, K. Nagai, Parasympathetic and sympathetic
control of the pancreas: A role for the suprachiasmatic nucleus and other hypothalamic
centers that are involved in the regulation of food intake. J. Comp. Neurol. 431, 405–423
(2001).
15. B. Ahren, G. J. Taborsky Jr., The mechanism of vagal nerve stimulation of glucagon
and insulin secretion in the dog. Endocrinology 118, 1551–1557 (1986).
16. T. Kurose, K. Tsuda, H. Ishida, K. Tsuji, Y. Okamoto, Y. Tsuura, S. Kato, M. Usami, H. Imura,
Y. Seino, Glucagon, insulin and somatostatin secretion in response to sympathetic neural
activation in streptozotocin-induced diabetic rats. A study with the isolated perfused rat
pancreas in vitro. Diabetologia 35, 1035–1041 (1992).
本文完