前沿！海马突触GHSR1α/DRD1相关作用与AD病理之间的关系

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|作者：王思珍，逻辑神经科学

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海马病变（hippocampal lesions）是阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease，AD）的一种早期典型病理，表现出记忆功能下降【1】。然而，在AD中，海马突触损伤的确切分子机制尚未被完全阐明，而且，目前也尚未有有效的治疗策略来改善AD海马突触的这种缺陷【2】。

生长激素促分泌素受体1α（growth hormone secretagogue receptor，GHSR1α，亦称胃饥饿素（ghrelin，一种胃肠道激素）受体）是G蛋白偶联受体（G protein–coupled receptor，GPCR）家族中的重要一员。GHSR1a除了在垂体和下丘脑中大量表达之外，也表达于海马结构（包括：齿状回（dentate gyrus）和海马本部（Ammon’s horn）/海马），这暗示着GHSR1α与海马功能之间具有特定的关联性【3】。而且，多项研究也证明了海马ghrelin/GHSR1a信号通路在学习、进食的机动和快感、以及海马突触生理学中的特殊作用【4-7】。GHSR1a调控下的DRD1信号通路对开启海马突触重组（通过Gaq-Ca²⁺信号途径，其会激活Ca²⁺/钙调素依赖蛋白激酶II（Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase II，CaMKII)）也十分分重要【5-6】。

这些结果都表明了GHSR1ɑ在海马突触功能方面的重要作用：GHSR1ɑ功能障碍是否是AD海马突触功能障碍的原因呢？

有趣的是，J. J. Sevigny 和R. S, Seminara等人的研究表明，在AD患者、AD动物模型以及细胞模型中，GHSR1ɑ的激活效应表现出不一致【8-9】。然而，在Heng Du实验室的一项针对轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）患者的研究中，却发现认知能力与酰基化的胃饥饿素的循环呈负相关【7】。

这些结果进一步提示，在AD中，外源性和内源性配体对海马GHSR1ɑ的激活可能不敏感。因此，进一步阐明AD中海马GHSR1ɑ的确切功能将有助于我们对AD海马病理的具体分子机制的认知。

2019年8月14日，发表于Science Translational Medicine（最新IF=17.161）上的一项前沿性研究成果中，Jing Tian（第一作者，（美国）德克萨斯大学，（中国）山东第一医科大学千佛山医院）、Lan Guo（共同第一作者，同上）、以及Heng Du（杜蘅,通讯作者，（美国）德克萨斯大学）等人旨在探究GHSR1ɑ在AD海马病理分子机制中的具体作用。最终阐明了AD海马易损性的机制；而且，在诱导剂条件下，GHSR1ɑ/DRD1的共激活很有可能是治疗AD的一种有效策略【10】。该（Sci. Transl. Med. 在线封面）文章的标题为Disrupted hippocampal growth hormone secretagogue receptor 1ɑ interaction with dopamine receptor D1 plays a role in Alzheimer’s disease【10】。

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首先，为了确定AD患者海马中GHSR1ɑ蛋白水平是否发生了改变。于是，Jing Tian等人对4例AD患者和4例健康者的死后海马组织进行了免疫组化和膜印迹实验，同时，又在4-9月大的5×FAD小鼠和人胚胎肾（human embryonic kidney，HEK）293T细胞中进行了观察。结果表明β-淀粉样蛋白（β-amyloid，Aβ）能够与GHSR1ɑ发生相互作用，形成Aβ/GHSR1ɑ复合体，而且Ghsr1ɑ的第42-116位氨基酸残基对于与Aβ的结合至关重要 (Fig. 1)。

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Fig. 1. Aβ physically interacts with GHSR1ɑa

为了进一步确定Aβ与GHSR1ɑ的相互作用是否会影响Ghsr1ɑ的功能。因此，他们进行了荧光素砷化发夹结合剂荧光共振能量转移实验（fluorescein arsenical hairpin binder（FlAsH）–based fluorescence resonance energy transfer（FRET）assay，FlAsH-based FRET）（这一方法可最小化对GPCR活性检测的干扰【11】）来检测Aβ富集区的Ghsr1ɑ活性。发现寡聚体Aβ42与Ghsr1ɑ的相互作用会消减Ghsr1ɑ的功能 (Fig. 2)。

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Fig. 2. Interaction with Aβ disrupts GHSR1ɑ activity.

同时，因为，GHSR1ɑ能够与DRD1形成复合物，进而调控DRD1介导的海马突触强度和记忆功能【5】。所以，Jing Tian等人在HEK293T细胞共表达了Ghsr1ɑ和Drd来确定寡聚体的Aβ42是否会影响GHSR1ɑ/DRD1的异源二聚体化，也检测了在临床上GHSR1ɑ/DRD1的相互作用是否发生了改变。结果证实在AD关联条件下，Aβ介导的GHSR1ɑ水平异常极有可能会影响海马GHSR1ɑ/DRD1的相互作用 (Fig. 2)。

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Fig. 3. Loss of Ghsrɑ replicates AD-like phenotypes.

紧接着，他们在4-9月大的小鼠模型（Ghsr null, nontransgenic (nonTg), 5×FAD and Ghsr null/5×FAD mice）中观察到了Aβ介导的GHSR1ɑ水平异常会致使5×FAD小鼠的海马突触缺陷以及认知功能下降；而且，在5×FAD小鼠中GHSR1ɑ水平异常会恶化Drd1-related CaMKII信号通路 (Fig. 3)。

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Fig. 4. Combined Ghsr1ɑ/Drd1 activation rescues hippocampal synapse in vitro.

同时，他们又在培养的5×FAD小鼠海马神经元分别添加Ghsr1ɑ和Drd1活性诱导剂MK0677（一种非肽饥饿素类似化合物，比胃饥饿素具有更高的效力）与SKF81297【12】。结果显示在AD海马突触损伤中DRD1调控的GHSR1ɑ表达异常，并且，GHSR1a和DRD1联合激活可以挽救Aβ引起的海马突触功能缺损 (Fig. 4)。

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Fig. 5. Coactivation of Ghsr1ɑ and Drd1 preserves Ghsr1ɑ activity from Aβ toxicity.

研究者们又在HEK293T 细胞中单独（/与Drd1）表达（/共表达）Ghsr1^FIAsH/ECFP ，来进一步确定特异性的GHSR1a/Drd1共激活是否由GHSR1a活性所调节。结果证实是通过削弱Aβ与Ghsr1a之间的相互作用来维持Ghsr1a活性，进而调控这种共激活 (Fig. 5)。

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Fig. 6. Combined Ghsr1ɑ/Drd1 activation protects hippocampal synapse and cognition in vivo.

而且，在模型体内实验中，他们发现两种诱导剂能够促使小鼠齿状回双皮质素（doublecortin，一种神经发生（neurogenesis）标记物【13】）阳性神经元数量的增多 (Fig. 6)。最后，研究人员证实了在两种诱导剂帮助下，GHSR1a/DRD1的联合激活能够改善小鼠的突触功能和记忆功能，而且，这种改善不受海马淀粉样变性（Aβ生成和积累）或tau病理的影响 (Fig. 7)。

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Fig. 7. Hippocampal amyloidosis and tau phosphorylation remain unaltered in treated 5×FAD mice.

总的来说，Jing Tian等人的这项出色成果成功揭示出了AD中GHSR1a表达异常对海马突触损伤调控的分子机制；特性性地针对这一病理机制，且在诱导剂条件下，GHSR1ɑ/DRD1的联合激活很有可能是治疗AD的一种有效策略。

文献参考

【1】S. W. Scheff, et al., Hippocampal synaptic loss in earlyAlzheimer’s disease and mild cognitive impairment.Neurobiol. Aging 27, 1372–1384 (2006).

【2】W. V. Graham, et al., Update on Alzheimer's Disease Therapy and Prevention Strategies. Annu. Rev. Med.68, 413–430 (2017).

【3】B. K. Mani, et al., The role of ghrelin-responsive mediobasal hypothalamic neurons in mediating feeding responses to fasting. Mol. Metab. 6, 882–896 (2017).

【4】T. M. Hsu, et al., Hippocampus ghrelin receptor signaling promotes socially-mediated learned food preference. Neuropharmacology 131, 487–496 (2018).

【5】A. Kern, et al., Hippocampal dopamine/DRD1 signaling dependent on the ghrelin receptor. Cell 163, 1176–1190 (2015).

【6】A. Kern, et al., Apo-ghrelin receptor (apo-GHSR1a) regulates dopamine signaling in the brain. Front. Endocrinol. 5, 129 (2014).

【7】X. Cao, M. Zhu, Y. He, W. Chu, Y. Du, H. Du, Increased serum acylated ghrelin levels in patients with mild cognitive impairment. J. Alzheimers Dis. 61, 545–552 (2018).

【8】J. J. Sevigny, et al., Growth hormone secretagogue MK-677: No clinical effect on AD progression in a randomized trial. Neurology71, 1702–1708 (2008).

【9】R. S. Seminara, et al., The neurocognitive effects of ghrelin-induced signaling on the hippocampus: A promising approach to Alzheimer’s disease. Cureus 10, e3285 (2018).

【10】J. Tian, et al., Disrupted hippocampal growth hormone secretagogue receptor 1ɑ interaction with dopamine receptor D1 plays a role in Alzheimer’s disease. Sci. Transl. Med. 11, eaav6278 (2019).

【11】C. Hoffmann, et al., A FlAsH-based FRET approach to determine G protein-coupled receptor activation in living cells. Nat. Methods. 2,171–176 (2005).

【12】A. A. Patchett, et al., Design and biological activities of L-163,191 (MK-0677): A potent, orally active growth hormone secretagogue. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 92, 7001–7005 (1995).

【13】S. Couillard-Despres, et al., Doublecortin expression levels in adult brain reflect neurogenesis. Eur. J. Neurosci. 21, 1–14 (2005).

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