Cell Metab?|?Cav3.1介導(dǎo)腦內(nèi)亮氨酸感知并調(diào)控食欲與體重

撰文 |Sure

機(jī)體必須快速感知營養(yǎng)水平變化，才能維持生存。從單細(xì)胞生物到人類，都進(jìn)化出了一整套營養(yǎng)感知系統(tǒng)，用來監(jiān)測碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的可用性，并據(jù)此調(diào)節(jié)代謝和行為。在多細(xì)胞動物中，這種營養(yǎng)感知具有多層級結(jié)構(gòu) ： 胃腸道內(nèi)分泌細(xì)胞（enteroendocrine cells）感知腸腔營養(yǎng) ； 胰腺內(nèi)分泌細(xì)胞感知血糖與氨基酸等 ； 腦內(nèi)營養(yǎng)感知神經(jīng)元（nutrient-sensing neurons）則進(jìn)一步整合信息 ，并通過自主神經(jīng)系統(tǒng)、攝食行為、飽腹感和對不同常量營養(yǎng)素的偏好來調(diào)節(jié)機(jī)體營養(yǎng)穩(wěn)態(tài)。 其中，碳水化合物和脂肪分別可以在肝臟和脂肪組織中儲存，因此機(jī)體對它們的短期波動有一定緩沖能力。但蛋白質(zhì)沒有專門的儲存器官，所以對蛋白質(zhì)攝入不足或充足的應(yīng)對，往往更依賴行為調(diào)節(jié)，尤其是食欲抑制或蛋白攝入偏好改變。因此，一個關(guān)鍵問題是：大腦如何感知蛋白質(zhì)可用性，并據(jù)此調(diào)節(jié)食欲和體重？

飲食中的蛋白質(zhì)在消化過程中會誘導(dǎo)多種食欲抑制性腸促胰素（incretins）分泌，但與此同時，某些氨基酸在餐后血液中升高，并可進(jìn)入腦內(nèi)直接調(diào)節(jié)神經(jīng)環(huán)路【1-3】。 其中最受關(guān)注的是亮氨酸，亮氨酸之所以重要，是因?yàn)樗?被視為報告氨基酸充足程度的關(guān)鍵信號分子，可調(diào)節(jié) 蛋白合成、合成代謝和飽腹感。 在下丘腦，尤其是弓狀核（arcuate nucleus of the hypothalamus,ARH）中的POMC神經(jīng)元（pro-opiomelanocortin neurons），已經(jīng)被證明能響應(yīng)亮氨酸并抑制攝食【4-6】。雖然此前研究表明 ， 亮氨酸可通過mTOR信號發(fā)揮厭食作用 ， 亮氨酸能激活下丘腦POMC神經(jīng)元 。但仍有幾個關(guān)鍵空白：（1）哪些神經(jīng)元是真正的亮氨酸感受神經(jīng)元？（2）亮氨酸如何快速激活這些神經(jīng)元？（3） 這種腦內(nèi)亮氨酸感知在生理上是否真的是高蛋白飲食抑制食欲和減重的必要機(jī)制？

近 日， 來自 英國 劍橋大學(xué) 的 Clémence Blouet 課題組與合作者 在 Cell Metabolism 上 發(fā)表了論文 Cav3.1 is a neuronal leucine sensor that mediates satiety and weight loss in response to dietary protein 。 本研究發(fā)現(xiàn)，下丘腦POMC神經(jīng)元中的Cav3.1可直接感知亮氨酸并介導(dǎo)高蛋白飲食的抑食與減重效應(yīng)，從而揭示了腦內(nèi)蛋白質(zhì)感知的關(guān)鍵分子機(jī)制并提出了新的抗肥胖治療靶點(diǎn)。

作者首先要回答的是 哪些下丘腦神經(jīng)元在體內(nèi)真正被亮氨酸激活？這些神經(jīng)元有什么共同的分子標(biāo)志？作者采用 PhosphoTRAP（phosphorylated ribosome affinity purification，磷酸化核糖體捕獲） 和RNA-seq 篩 選 亮氨酸激活神經(jīng)元 的富集因子， 結(jié)果顯示，亮氨酸激活神經(jīng)元中富集了多個有意義的基因 ，其中最值得關(guān)注的是 Cacna1g ，該基因 編碼T型電壓門控鈣通道 Cav3.1 。 作者此前已發(fā)現(xiàn)，POMC神經(jīng)元對亮氨酸的快速響應(yīng)需要胞外Ca2?內(nèi)流 ， 另有研究提示亮氨酸誘導(dǎo)的Ca2?流入可促進(jìn)mTORC1激活。 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， 約 80% 的 Cacna1g?/POMC? 神經(jīng)元在內(nèi)側(cè)基底下丘腦 （ MBH ） 亮氨酸刺激后被激活 ， 約 50% 的POMC神經(jīng)元表達(dá) Cacna1g ， 更重要的是，約 90% 的 Cacna1g? POMC神經(jīng)元同時表達(dá) Trpc5。TRPC5是一種陽離子通道，此前有研究表明，Cav3.1可與TRPC5形成功能復(fù)合體，用于瘦素激活POMC神經(jīng)元。 這部分結(jié)果表明 亮氨酸激活的下丘腦神經(jīng)元中， Cacna1g 是一個高度富集的關(guān)鍵分子；在POMC神經(jīng)元中，Cacna1g?/Trpc5? 構(gòu)成了一個高度富集的亮氨酸響應(yīng)亞群 。 這提示 Cav3.1-TRPC5 復(fù)合體可能構(gòu)成亮氨酸感知及其后續(xù)神經(jīng)元激活機(jī)制的核心。

接下來，作者繼續(xù)證明 Cav3.1 是一種亮 氨酸感受器，并解析其如何激活POMC神經(jīng)元 。作者通過 藥理學(xué)和電生理證明 Cav3.1 對亮氨酸激活POMC神經(jīng)元是必需的 ，體內(nèi)體外抑制 Cav3.1 都可以阻斷亮氨酸對POMC神經(jīng)元的激活。此外， 在 Trpc5 KO 小鼠中，亮氨酸無法再使POMC神經(jīng)元去極化，說明Cav3.1 和 TRPC5 不是平行通路，而是功能耦聯(lián)的。 在HEK293細(xì)胞中分別表達(dá) Cav3.1 和 TRPC5 ， 亮氨酸 能激活 人源 hCav3.1通道介導(dǎo)的Ca2?信號 ，而 在表達(dá) hTRPC5 的細(xì)胞中，亮氨酸不能直接誘導(dǎo)Ca2?反應(yīng)。 體外結(jié)合試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn) 亮氨酸對 Cav3.1 的結(jié)合是直接的、特異的、依賴完整蛋白構(gòu)象的 ， Cav3.1 的 site II（由 domains II/III 的S4片段形成的面向胞質(zhì)的疏水口袋）是功能上最關(guān)鍵的亮氨酸結(jié)合位點(diǎn)。 此外，作者還發(fā)現(xiàn) Cav3.1 感知亮氨酸后，促進(jìn)Ca2?流入，并進(jìn)而激活mTOR通路。 基于這些結(jié)果，作者提出 Cav3.1 是一個亮氨酸感受器，通過直接結(jié)合亮氨酸來改變通道門控，從而激活POMC神經(jīng)元。

在明確 Cav3.1 是一個亮氨酸感受器 后，作者想要解決的問題就是 Cav3.1-POMC 機(jī)制對高蛋白飲食抑制食欲和體重增加 是否 具有生理必要性 。為了解決這個問題，作者在 MBH 內(nèi)敲除 Cacna1g ，結(jié)果發(fā)現(xiàn) MBH 注射亮氨酸不再能正常抑制攝食 。在高蛋白飲食條件下， 對照鼠體重增長下降 ， 但 Cacna1g MBH KO 小鼠這種減重效應(yīng)明顯減弱 ，說明 MBH 中的 Cav3.1 是高蛋白飲食誘導(dǎo)飽腹和減重的重要必要成分。為了進(jìn)一步證明作用細(xì)胞是 POMC 神經(jīng)元，作者在 POMC 特異表達(dá) Cas9 的轉(zhuǎn)基因鼠中，用AAV遞送gRNA，在MBH中選擇性敲除POMC神經(jīng)元里的 Cacna1g 。 結(jié)果表明 僅敲除 POMC 神經(jīng)元中的 Cav3.1，就足以減弱 MBH 亮氨酸的厭食效應(yīng) 、 讓高蛋白飲食失去原本的減重效果 。這說明 POMC 神經(jīng)元中的 Cav3.1 是高蛋白飲食抑食效應(yīng)的核心執(zhí)行位點(diǎn)。

文章的最后，作者想要探索 Cav3.1 是否可以作為潛在的減肥藥物靶點(diǎn)。 如果 Cav3.1 是一個真正可利用的靶點(diǎn)，那么激活它應(yīng)當(dāng)能抑制食欲和體重。 為了驗(yàn)證這個猜想，作者使用SAK3——一種 小分子 Cav3.1 激活劑 ， 局部 MBH 注射 SAK3可劑量依賴性降低 24小時攝食量和體重增加 ， 這一作用在 Cacna1g MBH KO 小鼠中消失，證明藥效依賴 Cav3.1。 作者還發(fā)現(xiàn) MBH 內(nèi)低劑量 SAK3 可增強(qiáng)多種通過POMC神經(jīng)元發(fā)揮作用的厭食藥物 ， 而且SAK3能增強(qiáng)這些藥物誘導(dǎo)的POMC神經(jīng)元激活。 這說明 Cav3.1 不僅能獨(dú)立抑食，還能作為飽腹信號整合節(jié)點(diǎn)，放大其他減肥藥信號。為了避免腦內(nèi)注射這種侵入式方式，作者測試了鼻內(nèi)給藥 的效果。 在飲食誘導(dǎo)肥胖小鼠中，連續(xù)鼻內(nèi)給予 SAK3 ，可 降低攝食 、導(dǎo)致體重下降并 增強(qiáng) 其他減肥藥 的減重效果。 這些結(jié)果表明， Cav3.1 激活劑 SAK3 具有抑食、減重、并增強(qiáng) GLP-1 受體激動劑療效的潛力 ， 鼻內(nèi)給藥為將 Cav3.1 作為抗肥胖靶點(diǎn)提供了可行的非侵入式遞送思路。

總的來說，作者發(fā)現(xiàn) 下丘腦POMC神經(jīng)元中的Cav3.1可直接結(jié)合并感知亮氨酸，從而通過Ca2?信號激活神經(jīng)元并抑制食欲。進(jìn)一步證明該通路是高蛋白飲食誘導(dǎo)飽腹和抑制體重增加的關(guān)鍵機(jī)制，并在體內(nèi)具有因果作用。該研究揭示了腦內(nèi)蛋白質(zhì)感知的分子基礎(chǔ)，并提出Cav3.1作為潛在抗肥胖治療靶點(diǎn)，具有重要的生理與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)意義。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2026.03.017

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

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