《自然》子刊：一手提认知，一手抗肥胖！科学家发现，特异性敲低小胶质细胞中时钟基因Bmal1可以改善记...
“日出而作，日入而息”。规律的饮食和作息对人体身体健康至关重要。生物钟的紊乱通常会导致肥胖，记忆力减退等病理过程。
近些年来，研究发现小胶质细胞的活性也会受到昼夜节律影响，其具体的分子机制是一个值得探索的科学问题。
近日，由荷兰阿姆斯特丹大学Chun-Xia Yi领衔的研究团队在《分子精神病学》上发表论文[1]，首次探索了组织特异性的时钟基因Bmal1基因敲除后，对小胶质细胞吞噬能力的影响。
研究者们发现，小胶质细胞特异性敲低Bmal1可改善记忆力，并保护小鼠免受高脂肪饮食引起的肥胖影响。一手提认知，一手抗肥胖，听起来真的好有诱惑力……
论文首页截图
2017年，3位美国科学家Jeffrey C. Hall，Michael Rosbash 以及 Michael W. Youn，因发现生物昼夜节律机制荣获诺贝尔生理学或医学奖。
科学家们发现，在这些调控昼夜节律的转录因子中，Bmal1是最为突出的转录激活因子之一。
以往研究报道，敲低昼夜节律时钟基因Bmal1会引起动脉粥样硬化[2]，扩张型心肌病[3]和骨骼发育异常[4]等疾病，但是在其他组织细胞中的研究较少。
本研究首先探究了时钟相关基因是否在小胶质细胞中特异性表达。研究者通过密度梯度离心的方法从野生型小鼠的脑组织中分离小胶质细胞。
小鼠大脑分选小胶质细胞示意图
结果发现，小鼠小胶质细胞中时钟基因的表达会随着昼夜节律而变化。
从野生型小鼠大脑中分离出的小胶质细胞中时钟基因的相对表达结果
为了研究Bmal1在成年小鼠小胶质细胞中的功能，研究者运用Cre-LoxP方法构建了小胶质细胞特异性Bmal1基因敲低模型小鼠。敲低小鼠大脑中Bmal1转录和翻译水平显著降低。
以往研究报道，下丘脑中的小胶质细胞激活与高热量饮食诱导的肥胖有关5。研究人员提出了假设：昼夜节律可能在小胶质细胞激活和肥胖等能量代谢疾病之间扮演某种关键角色。
研究者尝试用高脂饮食（HFD）饲喂野生型对照组和Bmal1敲低小鼠，结果发现Bmal1敲低小鼠的体重更轻，能量摄取更少，而不影响其他的代谢指标，提示特异性敲除小胶质细胞中的Bmal1基因可以保护小鼠免受高脂饮食诱导的肥胖。
实验组小鼠的体重更轻，能量摄取更少
下丘脑的弓状核（ARC）在调节全身能量稳态中起关键作用。该神经环路的维持也依赖于小胶质细胞的吞噬功能。因此，研究人员探究了时钟基因Bmal1下调对小胶质细胞的吞噬能力的影响。
实验结果显示，Bmal1下调会导致小胶质细胞吞噬能力增加以应对高脂饮食带来的代谢挑战。
实验组小鼠的CD68（吞噬标记物蛋白）表达显著增加
小胶质细胞具有修剪神经元突触的能力，保障皮层和海马区建立成熟的神经元通讯。那么，小胶质细胞敲低时钟基因Bmal1后是否会对学习和记忆等认知能力产生影响吗？
研究人员开展了动物行为学实验，分别运用新物体识别试验和水迷宫试验评价小胶质细胞特异性的Bmal1基因敲低小鼠的学习和记忆能力。有趣的是，结果发现敲低小鼠的长时程记忆巩固和保持能力显著增强。
敲低小鼠经过训练后，在新物体识别试验中，对新物体的探索时间更长；在水迷宫实验中，到达平台的潜伏期更短，在平台撤离后的目标象限中停留时间更长。
敲低小鼠对新物体的探索时间更长
实验组小鼠在目标象限中停留时间更长
此外，研究人员还对经过水迷宫训练后的小鼠大脑的海马区切片进行分析，实验结果显示，与对照组相比，敲低小鼠的树突棘密度明显增多，提示海马体中小胶质细胞吞噬作用增强，与神经嵴成熟和记忆形成有关。
实验组小鼠的树突棘密度明显增多
总体来说，这项研究发现，小胶质细胞特异性Bmal1敲低既可以减弱高脂饮食诱导的食欲过盛与体重增加，又可以提高长期记忆巩固和保留的能力。
代谢相关疾病发展的机制，不仅局限于传统意义上由神经元主导进行代谢感知和调节，同时也依赖于神经元生存的微环境中其他细胞的维持。在这种微环境中，小胶质细胞作为免疫细胞，通过清除不同细胞产生的碎片并启动免疫反应，起到免疫稳态保持者的作用。
因此，靶向小胶质细胞中时钟基因Bmal1的药物的开发可能会成为治疗能量代谢紊乱和认知障碍相关精神疾病的一种新方法。
参考文献:
1 Wang, X. L. et al. Microglia-specific knock-down of Bmal1 improves memory and protects mice from high fat diet-induced obesity. Mol Psychiatry, doi:10.1038/s41380-021-01169-z (2021).
2 Liang, S., Hu, J., Zhang, A., Li, F. & Li, X. miR-155 induces endothelial cell apoptosis and inflammatory response in atherosclerosis by regulating Bmal1. Exp Ther Med 20, 128, doi:10.3892/etm.2020.9259 (2020).
3 Li, E. et al. BMAL1 regulates mitochondrial fission and mitophagy through mitochondrial protein BNIP3 and is critical in the development of dilated cardiomyopathy. Protein Cell 11, 661-679, doi:10.1007/s13238-020-00713-x (2020).
4 Zhao, J. et al. BMAL1 Deficiency Contributes to Mandibular Dysplasia by Upregulating MMP3. Stem Cell Reports 10, 180-195, doi:10.1016/j.stemcr.2017.11.017 (2018).
5 Trujillo Villarreal, L. A., Cárdenas-Tueme, M., Maldonado-Ruiz, R., Reséndez-Pérez, D. & Camacho-Morales, A. Potential role of primed microglia during obesity on the mesocorticolimbic circuit in autism spectrum disorder. J Neurochem 156, 415-434, doi:10.1111/jnc.15141 (2021).
本文作者 | 中科院小青年
责任编辑 | 代丝雨