對于地球上的生命來說，光是最重要的環(huán)境因素之一。在哺乳動物中，光感知主要依賴于視網(wǎng)膜光感受器。光除了激活負責(zé)圖像形成視覺的傳統(tǒng)視錐（Cones）視桿（Rods）光感受器外，還可以直接激活表達視黑素的感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(ipRGCs)，其可支配多個下游腦區(qū)從而調(diào)控瞳孔對光反射、晝夜節(jié)律、睡眠和情緒認知功能。公共衛(wèi)生研究表明，過多人造光源暴露是造成代謝紊亂的高風(fēng)險因素之一。然而，光調(diào)節(jié)代謝的神經(jīng)機制仍然不是很清楚。

2023年1月19日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部薛天教授研究團隊在Cell上在線發(fā)表了題為“Light modulates glucose metabolism by a retina-hypothalamus-brown adipose tissue axis”的重要研究成果。該工作綜合組學(xué)技術(shù)、大量神經(jīng)環(huán)路示蹤和操控手段、葡萄糖耐受性檢測、肩胛間棕色脂肪組織（iBAT）溫度檢測等方法，深入在小鼠和人上揭示了光感知壓抑棕色脂肪組織產(chǎn)熱并誘發(fā)血糖不耐受的神經(jīng)機制。中科新生命非常榮幸參與了該研究中非靶向代謝組學(xué)檢測的相關(guān)工作。

 

 研究材料

小鼠、人

 

 技術(shù)路線

步驟1：GT的光調(diào)控依賴 ipRGCs；

步驟2：ipRGC-下丘腦SON投射介導(dǎo)GT的光調(diào)控；

步驟3：GT的光調(diào)控依賴SON^AVP-PVN投射；

步驟4：GT的光調(diào)控需要PVN投射到髓質(zhì)；

步驟5：光通過阻斷BAT的自適應(yīng)產(chǎn)熱作用而降低GT；

步驟6：人類GT的光調(diào)控依賴于BAT活性。

 

 研究結(jié)果

1. GT的光調(diào)控依賴 ipRGCs

作者首先在暗/光照射下對小鼠進行了葡萄糖耐量試驗（IPGTT）以確定光對葡萄糖代謝的影響，并將葡萄糖耐量（GT）量化為曲線下面積(AUC)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與在光照下測試的野生型（WT）小鼠相比，在黑暗條件下測試的小鼠表現(xiàn)出顯著更低的AUC（表明GT增加）。此外還發(fā)現(xiàn)當(dāng)光可以有效激活ipRGCs時，光可調(diào)節(jié)GT，同時也證實了光對GT的影響與晝夜節(jié)律階段(白天或夜晚)無關(guān)（圖1）。

作者進一步研究了光誘導(dǎo)的糖代謝相關(guān)激素和營養(yǎng)物質(zhì)的變化，包括胰島素、皮質(zhì)酮、胰高血糖素、腎上腺素、乳酸、非酯化脂肪酸、去甲腎上腺素、生長激素、亮氨酸、4-OH-異亮氨酸、纈氨酸和膽固醇等，發(fā)現(xiàn)均未發(fā)生顯著變化。這些數(shù)據(jù)表明，GT可能存在直接的神經(jīng)回路介導(dǎo)光的調(diào)節(jié)作用（圖2）。

圖2 夜間光照降低GT

 

2. ipRGC-下丘腦SON投射介導(dǎo)GT的光調(diào)控

為進一步確定光顯著下降血糖代謝耐受性這一生理過程是否由光擾亂節(jié)律所致，還是光通過直接的神經(jīng)環(huán)路介導(dǎo)。作者對與IpRGCs有較密集連接的下丘腦視交叉上核（SCN）和視上核（SON）核團分別損毀，以評估它們對光介導(dǎo)的GT降低的貢獻。結(jié)果發(fā)現(xiàn)SCN損傷消除了晝夜節(jié)律，但對光誘導(dǎo)的AUC差異沒有影響。而SON損傷則完全阻止了GT的光調(diào)控，同時保持晝夜節(jié)律不變。進一步通過基因敲除和化學(xué)遺傳學(xué)手段證實了ipRGCs向SON的投射直接介導(dǎo)了光對GT的影響的結(jié)論。同時也發(fā)現(xiàn)支配SON的RGCs中，有83%的IpRGCs（圖3）。

 

3. GT的光調(diào)控依賴SON^AVP-PVN投射

SON主要包含兩種神經(jīng)元亞型，抗利尿激素(AVP)和催產(chǎn)素(OXT)能神經(jīng)元。結(jié)合神經(jīng)環(huán)路示蹤和操控手段，發(fā)現(xiàn)SON^OXT和SON^AVP神經(jīng)元都接收了來自ipRGCs的投射，SON^OXT逆行標(biāo)記的ipRGCs大約是SON^AVP的5倍。通過化學(xué)遺傳學(xué)抑制兩類神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)光照下的AUC降低到黑暗中觀察到的水平。這些數(shù)據(jù)表明SON^OXT和SON^AVP神經(jīng)元都是GT光調(diào)控所必需的。此外，也發(fā)現(xiàn)了SON^AVP和SON^OXT神經(jīng)元之間的相互投射。已知SON會投射到下丘腦室旁核（PVN），這是控制新陳代謝的重要大腦區(qū)域。作者也證實了SON^AVP神經(jīng)元是SON到PVN的主要輸出神經(jīng)元（圖4）。

 

4. GT的光調(diào)控需要PVN投射到髓質(zhì)

作者進一步通過追蹤等實驗研究了光調(diào)節(jié)GT通路中的下游靶點，使GFP在SON支配的PVN神經(jīng)元中選擇性表達，發(fā)現(xiàn)在髓質(zhì)的孤束核(NTS)中有密集的GFP陽性軸突末端標(biāo)記。SON^AVP，而不是SON^OXT神經(jīng)元作為輸出神經(jīng)元，通過PVN控制NTS。追蹤實驗還發(fā)現(xiàn)向RPa（中縫蒼白核）傳遞PVN輸入的NTS神經(jīng)元主要是GABA能神經(jīng)元。結(jié)果表明光通過ipRGC-SON^OXT-SON^AVP-PVN-NTS^Vgat（孤束核的GABA能抑制性神經(jīng)元）-RPa通路調(diào)節(jié)GT（圖5）。

 

5. 光通過阻斷BAT的自適應(yīng)產(chǎn)熱作用而降低GT

位于RPa內(nèi)的交感前運動神經(jīng)元可直接調(diào)節(jié)棕色脂肪組織（BAT）產(chǎn)熱，作者進一步研究了光是否調(diào)節(jié)BAT產(chǎn)熱。在黑暗條件下，單次葡萄糖注射誘導(dǎo)了BAT產(chǎn)熱的適應(yīng)性變化，iBAT表面溫度升高，而光則阻礙了這種適應(yīng)性產(chǎn)熱。同時肩胛內(nèi)表面溫度升高主要由iBAT驅(qū)動，而不是由白色/米色脂肪組織驅(qū)動。這表明光確實通過交感神經(jīng)通路調(diào)節(jié)葡萄糖誘導(dǎo)的BAT產(chǎn)熱。在基因敲除小鼠模型研究中發(fā)現(xiàn)光通過β3-腎上腺素能信號通路阻斷BAT介導(dǎo)的適應(yīng)性產(chǎn)熱，從而降低GT。進一步研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)選擇性抑制神經(jīng)通路，即SON^AVP-PVN, PVN-NTS和NTS^Vgat -RPa時，光壓抑BAT介導(dǎo)的適應(yīng)性產(chǎn)熱現(xiàn)象消失。表明光通過視網(wǎng)膜ipRGC-SON-PVN-NTS-RPa通路阻斷了BAT的適應(yīng)性產(chǎn)熱，從而降低了GT（圖6）。

 

6. 人類GT的光調(diào)控依賴于BAT活性

為了評估光是否同樣降低人類的GT，在暗/光照射下對健康志愿者進行了葡萄糖耐量試驗，發(fā)現(xiàn)在光照條件下表現(xiàn)出更高的AUC（降低GT），同時證實光對人類GT的影響與晝夜節(jié)律有關(guān)，相較于白天，人體在夜晚表現(xiàn)出更差的血糖耐受性。接著研究人員在藍光（ipRGC敏感）與紅光（ipRGC不敏感）下評估了人類的GT，結(jié)果顯示僅在藍光照射下人血糖耐受性下降。進一步在熱中性溫度（BAT介導(dǎo)的適應(yīng)性產(chǎn)熱受到限制）下評估了BAT產(chǎn)熱在人體葡萄糖調(diào)節(jié)中的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)AUC不再受光照(白光LED燈)的影響。暗示在人上，光下降血糖耐受性的潛在機制和小鼠一致。即光由人的ipRGC感知，并通過降低脂肪組織活性來下降血糖耐受性（圖7）。
 

 

 小結(jié)

該項工作在小鼠模型上系統(tǒng)研究了環(huán)境光暴露誘發(fā)血糖不耐受的感光、神經(jīng)環(huán)路和外周效應(yīng)機制：光可以直接通過激活支配下丘腦視上核的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞，繼續(xù)激發(fā)室旁核神經(jīng)元投射到孤束核的GABA能神經(jīng)元，通過β3-腎上腺素能信號通路阻斷棕色脂肪組織的適應(yīng)性產(chǎn)熱，導(dǎo)致葡萄糖耐量下降。此外，在人身上也發(fā)現(xiàn)一致的現(xiàn)象，這可能解釋了人工光與代謝失調(diào)之間的聯(lián)系，并揭示了代謝紊亂的潛在預(yù)防和治療策略（圖8）。
 

圖8 光感知壓抑棕色脂肪組織產(chǎn)熱并誘發(fā)血糖不耐受的神經(jīng)機制

 

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