阿尔茨海默病 NPAS4调节视交叉上核对光和昼夜节律行为的转录反应


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阿尔茨海默病 NPAS4调节视交叉上核对光和昼夜节律行为的转录反应
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阿尔茨海默病 NPAS4调节视交叉上核对光和昼夜节律行为的转录反应

本文由brainnews脑科学世界团队原创编译 , 转载请联系授权 。
昼夜节律(Circadian rhythm)是指机体适应外界环境中光-暗循环变化而建立的一种24 小时制的内源性节律 。
在哺乳动物中 , 下丘脑视交叉上核(SCN)是哺乳动物脑内的昼夜节律起搏器 , 通常分为腹外侧部分(核心区)和背内侧部分(壳区) 。 核心区作为外部信息输入的整合者 , 通过视网膜下丘脑束 , 接收来自光敏感视网膜神经节细胞(ipRGCs)的信息 , 传递至下游核团并设置相应的SCN神经元振荡相位 。
然而 , SCN对光反应的分子机制尚不完全清楚 。 神经元PAS结构域蛋白4(Neuronal Per-Arnt-Sim domain protein 4 NPAS4)是一种碱性螺旋-环-螺旋转录因子家族成员蛋白 , 其在视觉皮层中的表达受光诱导 , 是SCN中与神经元兴奋相关的急性即早基因(IEG)之一 , 具体功能知之甚少 。
德克萨斯大学西南医学中心Joseph S. Takahashi团队 , 在《Neuron》杂志发表了题为“NPAS4 regulates the transcriptional response of the suprachiasmatic nucleus to light and circadian behavior”的研究 。 本研究中 , 使用染色质免疫沉淀技术、单细胞RNA测序和昼夜节律行为分析 , 检测不同光照时间点小鼠SCN中IEG的表达水平 , 以探索光诱导基因的整体动力学 。
本研究发现 , NPAS4缺失改变了小鼠昼夜节律行为 , 可能在介导下丘脑对光的反应中发挥了重要作用 。
SCN对光有不同的转录组反应
为分析SCN在急性持续性光暴露后的转录组反应 , 在光刺激(0、1、3和6小时)后对整个小鼠SCN进行单细胞RNA测序 。 为确定导致C57BL/6J小鼠对昼夜节律相移的光脉冲反应 , 作者将雄性小鼠饲养于黑暗环境中 , 并在昼夜节律时间(CT)诱导最大延迟 。
通过免疫组化分析光刺激后SCN中FOS表达 , 结果表明 , 光照暴露0.5小时后FOS表达升高 , 并在暴露1小时后达到峰值(图1) 。 因NPAS4结合位点位于皮质神经元的FOS增强子 , 研究NPAS4是否协调SCN神经元的光调控转录反应 。
作者通过乙酰化H3K27ac进行染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)寻找SCN中活性增强子 , 发现SCN具有持续的H3K27ac基础水平 。 在哺乳动物的核心生物钟基因中 , Per1和Per2介导了生物钟的转录输入机制 。 在Per1位点中 , H3K27ac和H3K4me3在三个备选TSSs(TSS1-TSS3)上有强烈的富集;在Per2位点中 , 启动子区出现NPAS4富集 。
【阿尔茨海默病|NPAS4调节视交叉上核对光和昼夜节律行为的转录反应】这表明NPAS4可能是Per1/Per2基因表达的上游调控因子 , 从而支持NPAS4参与SCN中光诱导基因表达调控的假说 。
图1:光照驱动SCN中不同的转录组变化
SCN中的光响应细胞亚群
SCN神经元对光反应具有异质性 。 为了解SCN中光响应细胞亚型的整个谱系 , 在光(或无光)刺激1小时后对SCN组织进行单细胞RNA-seq , 确定了45个簇 , 根据已知标记物分为7种不同细胞类型 。
差异表达(DE)分析发现 , 神经元和星形胶质细胞之间的DE基因序列显著不同 , 表明细胞类型对光有特异性反应 。 为进一步完善聚类 , 接下来研究已知的SCN基因和神经元簇中排除的非SCN基因的表达 。 通过荧光原位杂交(FISH)检测不同光响应簇中Fos、Egr和Per1的表达 。
对每种重聚细胞类型的光/暗库进行DE分析 , 结果表明肽神经元细胞类型对光的特异性反应(图2) 。 有趣的是 , 在光响应簇中 , 假定的NPAS4靶点显著富集Vip+簇最强 , 其次是Cck+和Avp+簇(图2H) , 从而支持了NPAS4调控所有光响应肽能SCN神经元中基因表达 。
图2:SCN神经肽细胞簇可以通过它们对光的反应进一步分类
SCN中NPAS4的缺失会导致昼夜节律行为的改变
虽然NPAS4在皮层多种细胞中表达 , 但具有明显的细胞特异性功能 , 如兴奋或抑制 , 这取决于昼夜节律阶段或SCN亚区 。
为研究NPAS4在光刺激行为反应中的功能 , 检测同窝NPAS4+/+、NPAS4+/-和NPAS4-/-小鼠的昼夜运动活动节律 。 结果如图3所示 ,NPAS4缺失是大多数光诱导基因在光刺激下表达变化的基础 , 并导致光振幅相位响应曲线降低 。
图3:缺乏Npas4的小鼠表现出异常的昼夜节律 , 对光的相位反应减弱 , 昼夜节律周期长 。

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