华中科大陈建国团队：揭秘慢性应激诱导抑郁样行为的新机制
重度抑郁症（Major depressive disorder，MDD）是一种常见的精神疾病，影响全世界近乎20%的人口，然而MDD的生物学基础仍尚未明确。已有文献报道慢性应激可以导致抑郁症患者以及抑郁症动物模型神经结构可塑性出现缺陷。因此，通过相关分子通路调控神经结构，进而保留神经结构可塑性的完整性可能是治疗MDD的有效方法。
以往的研究表明，神经元突触可塑性的结构和功能受到包括microRNAs (miRNAs)在内的多种信号通路的调节。miRNAs是一种非编码RNA，多项临床前研究和临床研究均说明miRNAs都与抑郁症的病理生理机制相关。
有研究表明，慢性社交挫败应激（chronic social defeat stress，CSDS）造模的小鼠内侧前额叶皮层（medial PFC，mFPC）脑区中miR-214上调，而抑制miR-214可以逆转CSDS造模后小鼠的抑郁样行为，这与mPFC脑区微小兴奋性突触后电流（miniature excitatory postsynaptic current，mEPSC）的幅值和树突棘数量的增加有关。然而慢性应激下miR-214相关的结构可塑性的分子机制仍不十分清楚。TWIST1是一种高度保守的螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix）转录因子，可能间接调控miR-214的前体，然而其在大脑中的功能还不清楚。
基于此，来自华中科技大学同济医学院的陈建国和王芳团队在Biol Psychiatry杂志上发文，研究TWIST1通过miR-214-PPAR-δ信号通路调节神经元结构可塑性，进而调控抑郁样行为。
1，TWIST1在慢性应激诱导的小鼠抑郁症动物模型以及抑郁症患者中表达上调。
首先，在聚合酶链反应、蛋白印迹检测和免疫荧光实验中均观察到在CSDS后易感组小鼠mPFC脑区中TWIST1表达显著增加，CRS和CUS诱导的行为变化也伴随着mPFC脑区中TWIST1蛋白的显著升高，然而急性的应激（比如单次的社交挫败）并不能引起mPFC脑区中TWIST1表达水平的改变。这些结果说明mPFC脑区中TWIST1信号与慢性应激诱导的抑郁样行为呈正相关。
图1 TWIST1在抑郁患者和小鼠抑郁症动物模型中的表达升高。
随后，作者还定量检测了易感小鼠和MDD患者血液中TWIST1 mRNA的水平，发现其表达水平显著升高。同时作者还发现血液中TWIST1 mRNA的水平与患者MDD症状的严重程度呈正相关，认为TWIST1 mRNA可以作为MDD的潜在生物标志物。
另外，氟西汀作为一种经典的抗抑郁药，在此项研究中被用作阳性对照。作者发现，氟西汀在缓解CSDS诱导的抑郁样行为时，逆转了易感组小鼠mPFC中TWIST1表达的增加，说明TWIST1是氟西汀抗抑郁作用的重要组成部分。以上这些结果表明，mPFC中的TWIST1参与了慢性应激诱导的抑郁样行为和氟西汀产生的抗抑郁作用。
2，小鼠mPFC脑区TWIST1表达调控小鼠抑郁样行为以及神经元结构可塑性。
为了探讨TWIST1是否在CSDS诱导的抑郁样行为中发挥作用，作者采用慢病毒介导的以Twist1为靶点的短发夹RNA构建体(LV-shTwist1)注射到mPFC中，以降低TWIST1的表达。行为测试表明在强迫游泳试验和悬尾试验中，敲低TWIST1表达可以改善易感组小鼠的抑郁样行为，包括社交回避、蔗糖偏好缺失以及悬尾和强迫游泳实验中不动时间的增加。
图2 mPFC中TWIST1可以调节小鼠的抑郁样行为。
为进一步探索mPFC中TWIST1的上调是否会导致抑郁样行为，作者利用重组腺相关病毒载体(AAV-TWIST1)过表达TWIST1，病毒注射后的第21天，给予小鼠低阈值的应激（在没有其他促抑郁的方式下，低阈值应激通常不足以引起类似抑郁的行为）。结果显示，在mPFC中过表达TWIST1增加了暴露于低阈值应激小鼠的社交回避行为，并降低了小鼠对蔗糖的偏好。
接下来，为探讨TWIST1对mPFC树突形态的作用，作者通过单细胞注射lucifer yellow，对mPFC脑区II / III层的单个锥体神经元形态进行示踪，发现CSDS可诱导神经元发生萎缩，表现为树突长度、分支减少以及树突复杂性降低，其中敲减TWIST1可逆转上述病理改变，上调TWIST1则同样会导致树突形态的缺陷。因此，mPFC脑区中的TWIST1是应激进展中的一个重要因素，可能通过调节神经元结构可塑性影响小鼠抑郁样行为。
3，TWIST1通过下游miR-214-PPAR-δ信号通路影响线粒体功能，进而调控抑郁样行为。
通过进一步分子靶点的筛选，作者发现miR-214在mPFC中的一般性靶点β-catenin并不是TWIST1的下游，但却筛选到PPAR-δ是可能的TWIST1的下游靶点。PPAR-δ与线粒体功能密切相关，并且越来越多的证据表明线粒体功能障碍和神经精神疾病密切相关。因此作者猜测TWIST1可能通过PPAR-δ损害线粒体功能障碍进而诱导抑郁症的出现。
图3 TWIST1的诱导促进miR-214–PPAR-δ信号通路
作者首先检测了CSDS小鼠mPFC的线粒体功能，发现慢性应激降低线粒体DNA的拷贝数、线粒体膜电位以及ATP浓度。为了进一步研究TWIST1对线粒体功能的调控，作者首先构建了CRISPR/Cas9介导PPAR-δ基因敲除的慢病毒载体，用AAV-TWIST1或LV–Cas9–PPAR-δ转染原代培养的皮层神经元，并随后对其线粒体功能进行测量。结果显示，AAV-TWIST1过表达TWIST1可降低神经元中线粒体膜电位，而此现象可以被PPAR-δ选择性拮抗剂逆转。这些结果表明TWIST1的增加和PPAR-δ的降低会导致线粒体功能障碍。
图4 TWIST1通过抑制PPAR-δ损害线粒体功能
为进一步揭示慢性应激诱导的抑郁样行为是否由miR-214–PPAR-δ信号通路介导，将LV–miR-214或LV-GFP注入正常小鼠的双侧mPFC中。在miR-214过表达后，小鼠在尾部悬尾试验和强迫游泳试验中不动时间增加，蔗糖偏爱性降低。此外，在mPFC中接受LV–Cas9–PPAR-δ注射的小鼠也表现出明显的抑郁样行为。这些结果表明，miR-214–PPAR-δ信号通路的激活导致了抑郁样行为。
图5 mPFC中的miR-214–PPAR-δ信号通路调节小鼠的抑郁样行为
同时，通过长期给mPFC内注射选择性PPAR-δ激动剂GW0742可以逆转CSDS诱导的抑郁样行为。此外，长期服用选择性PPAR-δ拮抗剂GSK3787阻断了LV-sh Twist1的抗抑郁作用易感小鼠的治疗。
作者发现，敲除PPAR-δ会在原代培养的皮层神经元中导致树突长度，分支和复杂性降低，树突形态异常。综上所述，TWIST1介导的miR-214-PPAR-δ信号通路与慢性应激导致的抑郁密切相关。
4，总结
图6 慢性应激诱发的TWIST1以及其下游通路的改变
本项研究证明，mPFC中的TWIST1是介导慢性应激诱导的抑郁样行为的关键分子。在慢性应激诱导的抑郁样行为中，mPFC中TWIST1表达上调，通过激活miR-214-PPAR-δ信号通路，导致线粒体功能障碍，损害mPFC的神经元形态，最终诱导抑郁样行为。而TWIST1基因的下调则可以缓解抑郁样的行为。这可能为未来治疗抑郁症提供了一种的策略。
参考文献：
He JG, Zhou HY, Xue SG, Lu JJ, Xu JF, Zhou B, Hu ZL, Wu PF, Long LH, Ni L, Jin Y, Wang F, Chen JG. Transcription Factor TWIST1 Integrates Dendritic Remodeling and Chronic Stress to Promote Depressive-like Behaviors. Biol Psychiatry. 2020 Sep 10:S0006-3223(20)31906-5.