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Sci Adv丨徐勇/何彦林合作神经元中雌激素受体α介导的快速兴奋激活机制

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-10-07 10:36

正文

雌激素（E2）能作用于大脑而调控各种生理过程，包括雌性生育力【1】，性行为【2】，情绪和压力调控及代谢稳态调控等【3-5】。E2的功能主要通过雌激素受体α（ERα）所调节。作为经典的核受体蛋白，ERα能直接结合目的基因或者和其他核受体或转录因子形成复合体来调控基因转录从而调控E2的功能。研究发现E2能够在几毫秒的时间内快速兴奋神经元，而如此快的电信号改变不可能依赖于需要几分钟或几小时发生的核受体信号通路。值得注意的是，有一部分ERα蛋白集中在细胞膜上，且可以引发快速的信号通路改变。并且有研究证明细胞膜受体ERα蛋白缺失可以导致E2诱导的快速神经元兴奋的缺失。然而E2-ERα调控神经元快速兴奋的机制尚不清楚。

2024年10月2日，美国贝勒医学院（Baylor College of Medicine，BCM）徐勇实验室和路易斯安那州立大学潘宁顿生物医学研究中心（Pennington Biomedical Research Center ，PBRC）何彦林实验室合作在Science Advances杂志上发表了题为Identification of an ionic mechanism for ERα-mediated rapid excitation in neurons的研究论文。该研究发现并证明氯离子膜通道蛋白chloride intracellular channel protein-1 (Clic1) 能直接结合雌激素受体α（ERα），且在雌激素所诱导的快速神经元兴奋中起到关键作用，这一新离子机制的发现有利于拓展人们对雌激素参与的多种神经生理调节机制的认识和理解。

研究团队首先通过邻近生物素鉴定和质谱相结合的方法（BioID-MS）筛选出能够与ERα蛋白相结合的蛋白。在其中98个已知的膜蛋白中，研究团队注意到了Clic1这一氯离子通道蛋白，并用免疫共沉淀（co-IP）方法证明了Clic1和ERα蛋白的相互结合，且E2能够增强二者的相互作用。进一步的研究利用ERα点突变ERα-C451A，使得膜蛋白ERα减少而保留了ERα的核受体功能。结果显示Clic1和ERα-C451A的相互作用显著降低，从而确定了Clic1更优先同膜上的ERα受体结合。为进一步研究Clic1是否参与E2-ERα对神经元的快速兴奋的调控，研究人员采用了ERα-ZsGreen小鼠模型，该小鼠大脑中表达ERα的神经元全部被绿色荧光所标记，再结合电生理技术直接找到并记录ERα神经元，进而研究E2-ERα-Clic1如何调控神经元快速兴奋。该研究团队此前发表的研究工作证明E2能够快速兴奋位于下丘脑腹内侧核的腹外侧区域的ER神经元（ERα^vlVMH），并且该作用能够被ERα-C451A突变消除。因此，在本研究课题中，实验团队希望通过ERα^vlVMH神经元来研究E2-ERα-Clic1在神经元快速兴奋中的作用。

首先，通过离体脑片电生理记录ERα^vlVMH神经元，研究团队记录到了Clic1通道介导的电流，这部分电流可以被Clic1 特异的抑制剂IAA-94阻断。相对于对照组（vehicle），外源性E2可以显著增加ERα^vlVMH神经元中的Clic1通道介导的电流信号。进一步的研究结果表明，失去内源E2的雌性小鼠（卵巢切除，OVX）的ERα^vlVMH神经元，其Clic1通道介导的电流显著小于其对照组（保留卵巢，sham）。其次，研究人员利用了Cre-LoxP和Cas9/sgRNA技术，在ERα-Cre小鼠模型中特异性地从ERα^vlVMH神经元中敲除Clic1基因，而后记录并比较E2诱导的ERα^vlVMH神经元兴奋性，实验结果表明，在被敲除Clic1基因的ERα^vlVMH神经元中，E2诱导的神经元快速兴奋被消除。这一结果证实了Clic1参与调节E2-ERα诱导的快速神经元兴奋。而ERα在大脑的不同区域均有表达，为进一步确定E2-ERα-Clic1对神经元快速兴奋调控的广泛性，研究团队对其他多个不同大脑区域进行了神经元记录与比较，包括下丘脑弓状核（ARH），内侧杏仁核（MeA），终纹床核（BNST），下丘脑外侧（LH）和下丘脑视前区（POAH），均得到了与ERα^vlVMH一致的结果，实验结果表明Clic1是多个脑区中E2-ERα诱导的快速神经元兴奋的共同离子机制。

最后，研究人员通过在体小鼠实验来检验神经元中Clic1的生物学功能。许多研究表明ERα^vlVMH和ERα^ARH神经元调控E2相关的能量代谢，研究团队特异性地从小鼠的ERα^vlVMH和ERα^ARH神经元中敲除Clic1基因，同时通过卵巢切除手术（OVX）去除内源E2和外源E2补充相结合的技术，从而得到四组小鼠：对照组OVX-V，对照组OVX-E2，Clic1敲除OVX-V和Clic1敲除OVX-E2。通过对这四组小鼠能量代谢相关表型的监测而确定 Clic1在能量代谢中的功能。结果表明Clic1的缺失使得小鼠对由OVX引起的肥胖不敏感，且抑制外源E2的抗肥胖作用。这部分实验结果表明，在雌性小鼠中，ERα^vlVMH和ERα^ARH神经元中的Clic1能参与调控由E2水平变化而产生的能量代谢影响。

综上所述，该研究结合BioID-MS，离体电生理记录，转基因小鼠模型，Cre-LoxP和Cas9/sgRNA等技术发现并证明Clic1 通过直接结合ERα，而实现E2诱导的快速神经元兴奋的离子机制且该机制普遍纯在于多个脑区的ERα神经元。并且，E2-ERα-Clic1这一离子通道调节ERα神经元兴奋性的生理学机制，也参与雌性小鼠的能量代谢调控。

徐勇教授和何彦林教授为本文的共同通讯作者，徐勇实验室的博士后于梦和尹娜为本文的共同第一作者。

原文链接：

https://www.science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.adp0696

制版人：十一

参考文献

1 Johnson, C. S., Micevych, P. E. & Mermelstein, P. G. Membrane estrogen signaling in female reproduction and motivation. Front Endocrinol (Lausanne) 13, 1009379 (2022). https://doi.org:10.3389/fendo.2022.1009379

2 Nishiike, Y. et al. Estrogen receptor 2b is the major determinant of sex-typical mating behavior and sexual preference in medaka. Curr Biol 31, 1699-1710 e1696 (2021). https://doi.org:10.1016/j.cub.2021.01.089

3 He, Y. et al. Estrogen receptor-alpha expressing neurons in the ventrolateral VMH regulate glucose balance. Nat Commun 11, 2165 (2020). https://doi.org:10.1038/s41467-020-15982-7

4 Xu, P. et al. Estrogen receptor-alpha in medial amygdala neurons regulates body weight. J Clin Invest 125, 2861-2876 (2015). https://doi.org:10.1172/JCI80941

5 Ye, H. et al. An estrogen-sensitive hypothalamus-midbrain neural circuit controls thermogenesis and physical activity. Sci Adv 8, eabk0185 (2022). https://doi.org:10.1126/sciadv.abk0185

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