對(duì)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(dòng)物中，光感知主要依賴于視網(wǎng)膜光感受器。光除了激活負(fù)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(dá)視黑素的感光視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(ipRGCs)，其可支配多個(gè)下游腦區(qū)從而調(diào)控瞳孔對(duì)光反射、晝夜節(jié)律、睡眠和情緒認(rèn)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(xiǎn)因素之一。然而，光調(diào)節(jié)代謝的神經(jīng)機(jī)制仍然不是很清楚。

2023年1月19日，中國(guó)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(tuán)隊(duì)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(cè)、肩胛間棕色脂肪組織（iBAT）溫度檢測(cè)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(jī)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(cè)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SONAVP-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(duì)小鼠進(jìn)行了葡萄糖耐量試驗(yàn)（IPGTT）以確定光對(duì)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(cè)試的野生型（WT）小鼠相比，在黑暗條件下測(cè)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(shí)，光可調(diào)節(jié)GT，同時(shí)也證實(shí)了光對(duì)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(jìn)一步研究了光誘導(dǎo)的糖代謝相關(guān)激素和營(yíng)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(zhǎng)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）。

2. ipRGC-下丘腦SON投射介導(dǎo)GT的光調(diào)控

為進(jìn)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(duì)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(tuán)分別損毀，以評(píng)估它們對(duì)光介導(dǎo)的GT降低的貢獻(xiàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)SCN損傷消除了晝夜節(jié)律，但對(duì)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(shí)保持晝夜節(jié)律不變。進(jìn)一步通過基因敲除和化學(xué)遺傳學(xué)手段證實(shí)了ipRGCs向SON的投射直接介導(dǎo)了光對(duì)GT的影響的結(jié)論。同時(shí)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SONAVP-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)SONOXT和SONAVP神經(jīng)元都接收了來自ipRGCs的投射，SONOXT逆行標(biāo)記的ipRGCs大約是SONAVP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SONOXT和SONAVP神經(jīng)元都是GT光調(diào)控所必需的。此外，也發(fā)現(xiàn)了SONAVP和SONOXT神經(jīng)元之間的相互投射。已知SON會(huì)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(shí)了SONAVP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(jìn)一步通過追蹤等實(shí)驗(yàn)研究了光調(diào)節(jié)GT通路中的下游靶點(diǎn)，使GFP在SON支配的PVN神經(jīng)元中選擇性表達(dá)，發(fā)現(xiàn)在髓質(zhì)的孤束核(NTS)中有密集的GFP陽(yáng)性軸突末端標(biāo)記。SONAVP，而不是SONOXT神經(jīng)元作為輸出神經(jīng)元，通過PVN控制NTS。追蹤實(shí)驗(yàn)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-SONOXT-SONAVP-PVN-NTSVgat（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(yùn)動(dòng)神經(jīng)元可直接調(diào)節(jié)棕色脂肪組織（BAT）產(chǎn)熱，作者進(jìn)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(shí)肩胛內(nèi)表面溫度升高主要由iBAT驅(qū)動(dòng)，而不是由白色/米色脂肪組織驅(qū)動(dòng)。這表明光確實(shí)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(hào)通路阻斷BAT介導(dǎo)的適應(yīng)性產(chǎn)熱，從而降低GT。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)選擇性抑制神經(jīng)通路，即SONAVP-PVN, PVN-NTS和NTSVgat -RPa時(shí)，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(píng)估光是否同樣降低人類的GT，在暗/光照射下對(duì)健康志愿者進(jìn)行了葡萄糖耐量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在光照條件下表現(xiàn)出更高的AUC（降低GT），同時(shí)證實(shí)光對(duì)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(lán)光（ipRGC敏感）與紅光（ipRGC不敏感）下評(píng)估了人類的GT，結(jié)果顯示僅在藍(lán)光照射下人血糖耐受性下降。進(jìn)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(píng)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(jī)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(xiàng)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(jī)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(xì)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(hào)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）。

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