代謝組分析多巴胺依賴的肝臟代謝晝夜節(jié)律
生物鐘與新陳代謝緊密聯(lián)系在一起，在很大程度上依賴于器官系統(tǒng)之間多方面的相互作用來維持適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。遺傳和/或環(huán)境因素可以破壞器官之間的溝通，改變節(jié)律活動。物質(zhì)使用導(dǎo)致多巴胺信號的改變，然后是反饋系統(tǒng)中晝夜節(jié)律基因表達(dá)和代謝的重新編程。然而，大腦中多巴胺信號的改變是否會影響周圍器官的晝夜代謝尚未被充分探索。本研究對紋狀體中刺狀神經(jīng)元(iMSN)多巴胺D2受體(D2R)表達(dá)缺失(iMSN-D2RKO)的小鼠肝臟代謝組進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)與對照組小鼠相比，發(fā)現(xiàn)肝臟晝夜代謝組發(fā)生了深刻變化。本研究于2022年3月發(fā)表在《Proc Natl Acad Sci USA》IF：11.205期刊上。
技術(shù)路線：
主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
1、iMSN-D2RKO小鼠的晝行性代謝行為表現(xiàn)
在紋狀體中，多巴胺受體信號通路是控制生理響應(yīng)非常重要的通路，包括吃和運(yùn)動行為，這些都會極大程度的影響代謝。因此，作者探究了紋狀體中典型的和多巴胺D2R改變的信號通路對于生理參數(shù)的影響，首先比較野生型小鼠和同窩生在iMSNs中D2R特異性缺失小鼠間的生理參數(shù)。
由于食物攝取和運(yùn)動活動會影響體重，所以作者記錄了兩種基因型小鼠從出生到成年的體重。有趣的是，觀察到在出生后前5周兩種小鼠的體重沒有差異；此后，相比于野生型，iMSN-D2RKO小鼠的體重顯著下降（圖1A）。因此，作者在量熱籠子中檢測了小鼠的日?；顒雍湍芰肯囊约帮嬍承袨?，這可以解釋成年iMSN-D2RKO小鼠和WT小鼠之間的體重差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在活動籠中，iMSN-D2RKO 小鼠在活躍期而不是在非活躍期的光束中斷計(jì)數(shù)明顯低于 WT 同窩小鼠（圖1B）。此外，iMSN-D2RKO小鼠的能量消耗在黑暗期和有光期均顯著降低（圖1C）。與之相關(guān)的是，iMSN-D2RKO小鼠在黑暗期的鼠糧消耗量比野生型小鼠低（圖1D），但是有光期無差異，同樣的趨勢也適用于水的攝?。▓D1E）。有趣的是，盡管事物攝入量減少且體重減輕，但是與WT小鼠比較，iMSN-D2RKO小鼠卻具有更高的性腺的脂肪含量（圖1F）。
圖1 iMSN-D2RKO小鼠的晝行性代謝行為表現(xiàn)
肝臟在代謝過程中具有中心地位。無論是遺傳還是環(huán)境挑戰(zhàn)都能順著晝夜節(jié)律重編程肝臟代謝。因此，作者分析了iMSN-D2RKO小鼠和同窩野生型小鼠在晝夜循環(huán)中的肝臟的代謝組。為此，每4小時(shí)從兩種基因型小鼠身上采集肝臟組織，跨越六個時(shí)間點(diǎn)（授時(shí)因子時(shí)間[ZT] 3、7、11、15、19、23）的完整晝夜周期。核心時(shí)鐘基因的表達(dá)證實(shí)了用于代謝物分析的樣本的節(jié)律性。使用非參數(shù)檢驗(yàn)JTK_CYCLE分析晝夜節(jié)律性，以確定每個基因型顯著振蕩的晝夜節(jié)律代謝物的數(shù)量（圖2A）。發(fā)現(xiàn)180個代謝物中有近20%的代謝物（WT和iMSN-D2RKO小鼠中分別有34和32個代謝物）在兩種基因型中出現(xiàn)顯著振蕩。重要的是，80%的振蕩代謝物是脂質(zhì)，包括?；鈮A、磷脂酰膽堿、鞘磷脂和溶血磷脂酰膽堿。剩余的振蕩代謝物屬于氨基酸和生物胺類（圖2B）。特別是，WT中32%的節(jié)律性代謝物和iMSN-D2RKO肝臟中46%的節(jié)律性代謝物是氨基酸衍生的代謝物。相分析顯示ZT8和ZT14 ~ ZT18是晝夜代謝產(chǎn)物豐度最高的主要時(shí)間點(diǎn)（圖2C）。這些數(shù)據(jù)表明，節(jié)律性代謝物在WT和iMSN-D2RKO肝臟中顯示出相似的晝夜節(jié)律模式。然而，除了在兩種基因型中振蕩的代謝物子集之外，盡管晝夜節(jié)律參數(shù)有相似之處，但對在每種基因型中振蕩的個體代謝物的比較確定了獨(dú)特的代謝物，它們僅在 WT 或 iMSN-D2RKO 肝臟中振蕩（圖2D和2E）。令人驚訝的是，在iMSN-D2RKO小鼠中，與WT小鼠比較，將近44%的肝臟代謝物丟失了晝夜節(jié)律性，此外，40%的代謝產(chǎn)物在iMSN-D2RKO肝臟中顯示新生振蕩，而在WT中沒有觀察到。在分析的代謝物中，iMSN-D2RKO肝臟的節(jié)律性損失最大的是酰基肉堿（圖2F和2G）。這些分析表明紋狀體神經(jīng)元對肝臟的影響以前被忽略，因?yàn)榕c WT 相比，iMSN-D2RKO 小鼠肝臟中的代謝物顯示出晝夜節(jié)律改變的特征。
3、iMSN中D2R丟失改變了可卡因處理鼠的肝臟節(jié)律代謝組
在基礎(chǔ)條件（生理鹽水）下，iMSN 中缺乏 D2R 信號對晝夜肝臟代謝物的影響促使作者進(jìn)一步分析多巴胺能挑戰(zhàn)對 WT 和突變小鼠肝臟代謝的影響。使用可卡因處理，它可以增加紋狀體中的多巴胺水平，擾亂晝夜節(jié)律。為此，比較了生理鹽水和可卡因處理(ZT3)的WT小鼠和iMSN-D2RKO小鼠的肝臟代謝組。引人注目的是，在生理鹽水處理的 WT 小鼠中，73% 的代謝物在服用可卡因后失去了節(jié)律性。 在急性可卡因處理后，生理鹽水條件下只有 26% 的先前振蕩代謝物保持其節(jié)律性（圖3A-3B）。有趣的是，在WT肝臟中，可卡因使乙酰肉堿的振蕩減少了四倍（圖3C）。與鹽水處理的對照小鼠組織相比，可卡因給藥后 iMSN-D2RKO 肝臟中 25% 的晝夜節(jié)律代謝物失去節(jié)律性（圖3D）。相反，在生理鹽水處理的iMSN-D2RKO 小鼠中75%的震蕩代謝物不受可卡因的影響。然而，與生理鹽水處理小鼠的肝臟相比，可卡因處理后 iMSN-D2RKO 肝臟中誘導(dǎo)出數(shù)量驚人的新生振蕩代謝物（圖3D和3E）。在服用可卡因的iMSN-D2RKO小鼠中，節(jié)律性酰基肉堿和磷脂酰膽堿的數(shù)量明顯高于服用鹽水的小鼠（圖3F）。因此，紋狀體iMSNs中D2R信號的缺失不僅在基礎(chǔ)條件下嚴(yán)重影響肝臟代謝，在可卡因刺激下也會影響肝臟代謝。
可卡因干擾紋狀體中涉及D2R介導(dǎo)的iMSNs調(diào)節(jié)的晝夜基因表達(dá)和代謝譜。因此，分析和比較了在 ZT3 單次注射可卡因的 iMSN-D2RKO 和 WT 小鼠肝臟的完整晝夜節(jié)律代謝譜（圖3G-3I）。在服用可卡因的WT小鼠中，檢測到的代謝物有16%出現(xiàn)振蕩，而在iMSN-D2RKO小鼠中，高達(dá)41%的代謝物出現(xiàn)振蕩（圖3G）。此外，相分析顯示可卡因處理的WT小鼠和iMSN-D2RKO小鼠的生理代謝產(chǎn)物并不一致，在WT小鼠中，有光期節(jié)律峰值在ZT8附近，而iMSN-D2RKO小鼠則是在ZT-ZT6直接擺動。這種差異性并不依賴于可卡因注射本身，因?yàn)樵谒械纳睇}水和可卡因注射組都觀察到了類似的現(xiàn)象。相反，兩種基因型的黑暗期的峰值都維持在ZT16（圖3H）。此外，在WT可卡因誘導(dǎo)的小鼠中，?；鈮A只構(gòu)成肝臟中振蕩代謝物的~ 7%，但在iMSN-D2RKO小鼠中，其構(gòu)成占據(jù)晝夜代謝物的~ 30%（圖3I）。這些數(shù)據(jù)表明紋狀體D2R介導(dǎo)節(jié)律性肝臟代謝物的調(diào)控，并且顯示出多巴胺信號在腦中可作用于調(diào)控肝臟生理。
圖3可卡因引起的肝臟晝夜代謝紊亂
4、可卡因?qū)Ω闻K代謝組的不同影響
環(huán)境線索，包括光照，食物攝取，運(yùn)動，都可幫助維持中樞和外周組織的晝夜節(jié)律同步。為確定活體內(nèi)代謝物水平的時(shí)間依賴性差異，比較了可卡因處理的 WT 和 iMSN-D2RKO 小鼠在 ZT11 和 ZT23 的明暗階段的代謝組學(xué)特征，兩個節(jié)點(diǎn)分別是光暗階段的最后時(shí)間點(diǎn)（圖4A）。只有在可卡因處理后，WT肝臟中的日間依賴代謝物才包括鞘磷脂和溶血磷脂膽堿（圖4A）。隨后比較了ZT11和ZT23代謝產(chǎn)物的上調(diào)（圖4B）。在生理鹽水處理的小鼠的肝臟中，發(fā)現(xiàn)超過50%的在時(shí)間點(diǎn)之間變化的代謝物在黑暗期表現(xiàn)出更高的水平，在生理鹽水條件下，WT和iMSN-D2RKO肝臟ZT23位點(diǎn)可以觀察到磷脂酰膽堿的時(shí)間依賴性上調(diào)（圖4C）。令人驚訝的是，可卡因逆轉(zhuǎn)了這一趨勢，并在 WT 小鼠的肝臟中誘導(dǎo) ZT11 的代謝物水平高于 ZT23 的代謝物水平（圖4B）?？傊覀兊难芯拷Y(jié)果表明，iMSN 中的 D2R 信號傳導(dǎo)中斷和急性可卡因挑戰(zhàn)會改變肝臟的時(shí)間代謝。
參考文獻(xiàn)：
Cervantes M, Lewis RG, Della-Fazia MA, Borrelli E, Sassone-Corsi P. Dopamine D2 receptor signaling in the brain modulates circadian liver metabolomic profiles. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022;119(11):e2117113119. doi:10.1073/pnas.2117113119