下丘腦神經(jīng)酰胺的失調(diào)與控制能量和葡萄糖穩(wěn)態(tài)的神經(jīng)元通路的破壞有關。然而，促進肥胖癥神經(jīng)元脂毒性的特定神經(jīng)酰胺種類仍然不清楚。
基于此，2023年11月29日德國馬克斯·普朗克代謝研究所Jens C. Brüning研究團隊在Nature communications雜志發(fā)表了“CerS6-dependent ceramide synthesis in hypothalamic neurons promotes ER/mitochondrial stress and impairs glucose homeostasis in obese mice”揭示了肥胖小鼠下丘腦神經(jīng)元中CerS6依賴的神經(jīng)酰胺合成促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/線粒體應激，損害葡萄糖穩(wěn)態(tài)。
在這里，作者發(fā)現(xiàn)在體外暴露于棕櫚酸鹽的培養(yǎng)下丘腦神經(jīng)元和肥胖小鼠的下丘腦中，產(chǎn)生C16：0的神經(jīng)酰胺合酶6（CerS6）的表達增加。下丘腦神經(jīng)元中CerS6的有條件缺失可以減弱高脂飲食（HFD）依賴性的體重增加，并改善葡萄糖代謝。具體來說，表達類固醇生成因子1（SF-1）的神經(jīng)元中CerS6的缺失改變了進食行為，并減輕了HFD喂養(yǎng)對胰島素敏感性和葡萄糖耐量的負面代謝影響。表達前腦啡黑細胞促素皮促素（POMC）細胞選擇性缺失CerS6可以防止飲食誘導的線粒體形態(tài)的改變，并提高細胞對瘦素的敏感性。該研究揭示了CerS6衍生的神經(jīng)酰胺在下丘腦脂肪毒性、線粒體動力學改變和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/線粒體應激在肥胖患者食物攝入和糖代謝失調(diào)中的作用。
神經(jīng)酰胺已經(jīng)成為葡萄糖和能量穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)因子，為了研究肥胖患者的下丘腦中是否有特定的神經(jīng)酰胺物種被解除調(diào)控，作者通過實時定量PCR分析來自肥胖和糖尿病動物模型的下丘腦提取物，評估了不同CerSs的mRNA表達。此外，分析了C57BL/6 N小鼠，這些小鼠已通過HFD喂養(yǎng)16周誘導肥胖和胰島素抵抗，或接受低脂對照飲食。飲食誘導的肥胖小鼠中CerS6轉錄水平的升高轉化為下丘腦CerS6蛋白表達的升高。與對照組相比，HFD喂養(yǎng)小鼠下丘腦中C16：0神經(jīng)酰胺和其他神經(jīng)酰胺、鞘磷脂和己基神經(jīng)酰胺的含量增加。在兩種關鍵的神經(jīng)酰胺物種中，下丘腦中的C16：0水平與動物的體重呈正相關?？紤]到下丘腦的細胞異質(zhì)性，分析了不同下丘腦細胞及其神經(jīng)酰胺產(chǎn)物在不同下丘腦細胞類型中的表達。從常規(guī)食物喂養(yǎng)的成年小鼠的下丘腦分離細胞和分離的神經(jīng)元和非神經(jīng)元細胞部分，然后對這兩個部分進行神經(jīng)酰胺定量。為了進一步揭示小鼠下丘腦中個體CerS基因的細胞類型特異性表達譜，測定了CerS1-6的轉錄水平。
CerS1和CerS3在所有下丘腦細胞簇中的表達水平相對較低。CerS2、CerS4和CerS5在幾種不同的細胞類型中均可檢測到表達，其中CerS2是在少突膠質(zhì)細胞中富集，CerS6轉錄本主要出現(xiàn)在神經(jīng)元簇中。這些觀察結果表明，與其他細胞類型相比，HFD喂養(yǎng)小鼠下丘腦中C16:0神經(jīng)酰胺水平和CerS6表達的增加主要是由于神經(jīng)元的調(diào)節(jié)，表明CerS6衍生的C16:0神經(jīng)酰胺在肥胖下丘腦神經(jīng)元中的關鍵作用。
作者試圖研究CerS6依賴的神經(jīng)酰胺形成在下丘腦神經(jīng)元在這些過程中的具體作用。為此，使用了胚胎小鼠-N43/5細胞系，該細胞系被廣泛用作模擬下丘腦神經(jīng)元生理學的體外系統(tǒng)。通過棕櫚酸鹽孵育使這些細胞的脂肪酸過量，反映了肥胖和代謝綜合征中下丘腦神經(jīng)元暴露的環(huán)境條件。CerS mRNA表達的測定顯示，N43/5細胞中棕櫚酸處理后CerS6轉錄本特異性增加，其他CerS mRNA仍未受影響，特別是CerS5。與CerS6表達升高相一致，棕櫚酸鹽暴露后C16：0神經(jīng)酰胺水平升高。在N43/5細胞中，敲除CerS6減弱了編碼xbox結合蛋白1的mRNA剪接的棕櫚酸鹽依賴性增加。剪接Xbp1編碼一種轉錄因子，促進內(nèi)質(zhì)網(wǎng)未折疊蛋白反應相關蛋白的表達，并已被證明將下丘腦神經(jīng)元的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激與能量平衡和葡萄糖穩(wěn)態(tài)聯(lián)系起來。與Xbp1剪接減少一致，CerS6的缺失減弱了棕櫚酸誘導的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激標記基因Ddit3轉錄本的上調(diào)。棕櫚酸鹽誘導N43/5細胞的ER/線粒體應激，而且導致平均線粒體縱橫比顯著下降，表明線粒體網(wǎng)絡更加分散。以上結果表明，棕櫚酸刺激CerS6依賴性C16:0神經(jīng)酰胺合成，從而促進下丘腦神經(jīng)元中的ER/線粒體應激和線粒體斷裂，同時降低線粒體生物能活性；這可能導致體內(nèi)下丘腦神經(jīng)元響應脂肪酸過量而發(fā)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)/線粒體可塑性和功能的改變，從而導致肥胖癥的負面代謝后果。
在CerS6ΔNkx2.1小鼠的大腦、肝臟和性腺白色脂肪組織中，CerS6的轉錄水平保持相似。同時，CerS1和CerS5在下丘腦中的表達保持不變，表明CerS6ΔNkx2.1小鼠的下丘腦CerS6的表達成功且有特異性的修飾。與對照組相比，隨著mRNA表達量的降低，CerS6ΔNkx2.1小鼠的下丘腦中CerS6蛋白水平明顯降低。為了研究飲食誘導肥胖發(fā)展過程中的代謝特征，CerS6ΔNkx2.1小鼠及其對照組小鼠在3周齡時開始接受HFD喂養(yǎng)，然后分析體重增加、肥胖、能量平衡和葡萄糖代謝。CerS6的缺失減弱了暴露于HFD的小鼠的體重增加，與對照組相比，HFD喂養(yǎng)的CerS6ΔNkx2.1小鼠的肥胖減少，CerS6ΔNkx2.1小鼠的肥胖減少可能是由于能量消耗的增加。此外，在葡萄糖耐量試驗中，特別是CerS6ΔNkx2.1小鼠在夜間禁食后，表現(xiàn)出更好的胰島素敏感性和降低血糖水平的能力改善。這些代謝增強只能限于喂食HFD的小鼠，而正常飼料喂養(yǎng)的CerS6ΔNkx2.1小鼠沒有顯示出胰島素敏感性的變化，只有糖耐量改善的趨勢。這些數(shù)據(jù)表明，基因抑制小鼠下丘腦神經(jīng)元中CerS6依賴的神經(jīng)酰胺合成，可以減輕飲食誘導的肥胖和與肥胖相關的葡萄糖代謝損傷。
下丘腦神經(jīng)元中CerS6的缺失減輕了飲食誘導的肥胖和葡萄糖處理缺陷。作者接下來進一步確定CerS6來源的神經(jīng)酰胺影響代謝控制的特定下丘腦神經(jīng)元群體?？紤]到VMH在這一過程中的關鍵作用，以及CerS6在VMH神經(jīng)元中的表達，研究依賴于CerS6的C16：0神經(jīng)酰胺合成是否會在VMH的代謝相關神經(jīng)元中發(fā)揮作用。對缺失CerS6的動物及其對照組進行了HFD喂養(yǎng)，沒有觀察到CerS6ΔSF-1雄性小鼠和對照組之間的體重增加和肥胖的顯著差異。與對照組相比，CerS6ΔSF-1雌性小鼠的肥胖發(fā)展減弱。由于下丘腦中神經(jīng)酰胺的積累與VMH中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激有關，導致BAT生熱和能量消耗減少，作者進行了間接量熱法測量來評估CerS6ΔSF-1的代謝率小鼠喂食HFD的雌性和雄性CerS6ΔSF-1小鼠在環(huán)境溫度下表現(xiàn)出適度的能量消耗增加趨勢。在暴露于6°C的溫度下，與對照組相比，雄性CerS6ΔSF-1小鼠的能量消耗明顯增加。CerS6ΔSF-1雄性的食物攝入量減少，而雌性的食物攝入量沒有減少。雖然SF-1神經(jīng)元中CerS6缺乏的雌性小鼠表現(xiàn)出肥胖的減少，但它們并沒有顯示出葡萄糖代謝的顯著改善。相比之下，雄性CerS6ΔSF-1小鼠的胰島素敏感性和葡萄糖耐量顯著增強。作者測量了HFD喂養(yǎng)的雄性和雌性小鼠的血清皮質(zhì)酮水平，在CerS6ΔSF-1動物中沒有改變?？偟膩碚f，VMH中表達SF-1的神經(jīng)元中CerS6依賴的神經(jīng)酰胺合成控制著葡萄糖代謝。
綜上，該研究強調(diào)了?；滈L度神經(jīng)酰胺特異性調(diào)節(jié)下丘腦神經(jīng)元代謝穩(wěn)態(tài)的關鍵作用，CerS6在這一過程中發(fā)揮了關鍵作用，這表明它參與了營養(yǎng)轉換過程中的食欲和代謝率控制。過量使用HFD會提高下丘腦中的CerS6和C16：0神經(jīng)酰胺的含量，導致全身葡萄糖代謝和能量平衡受損。靶向下丘腦中CerS6依賴的神經(jīng)酰胺合成為肥胖和糖尿病愈療提供了希望。
文章來源
https://doi.org/10.1038/s41467-023-42595-7
如果您也對動物實驗感興趣，歡迎關注和推薦關注知乎帳號：知鼠達理和微信公眾號：BrainTalks, 腦聲常談，專注于動物神經(jīng)科學與行為學的實驗知識的方法傳播與分享交流，您可以推薦給您身邊的朋友、同學以及老師，我們會定期更新您需要的相關實驗方法的視頻和文章，希望能對大家?guī)韼椭?
對實驗設備有興趣的小伙伴可以聯(lián)系知鼠達理の劉工13262879783
