Nat Commun丨你还敢熬夜吗？昼夜节律的失调与抑郁密切相关
Nat Commun丨你还敢熬夜吗？昼夜节律的失调与抑郁密切相关
抑郁症与昼夜节律的失调有关，但内在生物钟在情绪调控脑区中的作用尚不完全清楚。基于此，2024年8月23日斯特拉斯堡大学国家科学研究中心Tsvetan Serchov研究团队在Nature communications杂志发表了“Prefrontal cortex molecular clock modulates development of depression-like phenotype and rapid antidepressant response in mice”揭示了前额叶皮层分子钟调节小鼠抑郁表型的发展和快速抗抑郁反应。
作者发现，在抑郁症小鼠模型的前额叶皮层（mPFC）中，昼夜节律负向环路调节因子的表达增加，而正向调节因子的表达减少，且快速抗抑郁药物氯胺酮对生物钟进行了反向调节。在CaMK2a兴奋性神经元中敲除Bmal1结果显示，功能性mPFC生物钟是发展类似抑郁表型和氯胺酮效应的关键因素。在mPFC中沉默Per2产生了类似抗抑郁的效果，而REV-ERB激动剂增强了类似抑郁的表型并抑制了氯胺酮的作用。药理学增强时钟正向调节因子RORa产生了类似抗抑郁的效果，上调了mPFC中突触可塑性蛋白Homer1a、突触AMPA受体表达和与可塑性相关的慢波活动。该研究证明了mPFC分子时钟在调节类似抑郁行为和时钟药理学操作影响谷氨酸能依赖性可塑性治疗潜力中的关键作用。
图一 重复游泳应激改变内侧前额叶皮层的生物钟基因表达
为了研究抑郁表型对mPFC核心时钟基因表达的日间模式的影响，小鼠被暴露于慢性行为绝望范式（CDM），该范式诱导重复游泳压力，通过连续5天每天10分钟的游泳实现。对照组和CDM小鼠的大脑样本在24小时内每4小时收集一次，并通过qRT-PCR分析mRNA表达。除了Clock基因外，所有研究的典型时钟基因在mPFC中都表现出明显的表达节律模式。CDM范式导致几个核心时钟基因振荡的明显调节：负向调节环基因Per2和Cry2的振幅增加；Rorα的振幅降低和Rorβ表达下调，以及Per2、Cry2、Bmal1、Rev-erbα和Rorα的相位移动。CDM没有明显改变SCN中的时钟基因表达日常模式，也没有在12:12光/暗（LD）或恒定黑暗（DD）条件下改变运动活动或周期长度。为了在其他动物模型中进一步验证作者的发现，还收集并分析了来自习得性无助（LH）和慢性皮质酮（CORT）抑郁模型的小鼠组织。数据表明，在LH小鼠的mPFC中，时钟负向调节环基因Per1和Rev-erbα表达明显增加，而正向时钟调节因子Bmal1和Rorα的水平降低。然而，CORT模型的糖水偏好和mPFC时钟基因表达与对照组没有显著差异。这些结果表明，在诱导类似抑郁表型后，mPFC中的昼夜分子钟机制出现选择性破坏，包括时钟抑制基因表达增强和时钟正向调节因子水平降低。
图二 氯胺酮对抗CDM对mPFC时钟的影响
为了检验快速抗抑郁药物氯胺酮对mPFC分子时钟的影响，给予对照组和CDM小鼠腹腔注射3 mg/kg氯胺酮，注射时间在ZT00（注：ZT00通常指动物实验中光照周期的开始时间），并在治疗当天的ZT06开始，每隔4小时收集一次大脑组织，直到24小时后的ZT06。在不同的时间点（ZTs），氯胺酮在对照组和CDM小鼠中都降低了时钟抑制基因Per1、Per2、Cry1、Cry2和Rev-erbα的表达，导致Per2和Cry2的振幅明显降低。氯胺酮还显著改变了几个时钟基因的相位，导致Bmal1的acrophase（表示周期性波动中峰值出现的时间点）正常化，与对照组水平一致。此外，氯胺酮上调了Rorα的表达。在对照组小鼠中，ZT12时的氯胺酮应用降低了时钟抑制基因Cry1和Cry2的表达，并增加了时钟正向调节因子Rorα的水平。相反，在ZT00时，氯胺酮对SCN（视交叉上核）中的核心时钟基因没有显著影响，并且没有改变DD（持续黑暗）条件下的昼夜运动活动。总结来说，快速抗抑郁药物氯胺酮调节了mPFC的时钟机制，导致时钟抑制基因表达的持久降低，Bmal1 acrophase的特定正常化，以及时钟正向调节因子Rorα的增强。
图三 内侧前额叶皮层中Per2基因的敲减促进CDM中的抗抑郁效果
接下来通过体内RNA表达沉默技术研究Per2在抑郁样表型中的作用。作者的分析显示，在siPer2小鼠的mPFC中，Per2 mRNA表达下降了约40%，PER2蛋白水平降低了50%。Per2表达的降低导致在测试阶段进行的悬尾测试（TST）和强迫游泳测试（FST）中的不动时间减少，而对旷场测试（OFT）中的运动或焦虑样行为没有显著影响。此外，siPer2小鼠的mPFC中Homer1a表达增加，而Rev-erbα表达降低。这些数据表明，敲减mPFC中核心时钟抑制因子Per2的表达能够产生与增加的mPFC Homer1a表达同步的抗抑郁样效果。
图四 调节前额叶皮层分子钟作为情绪相关变化的机制模型
重复游泳压力增强了时钟抑制基因（如Per2和Cry2）的表达，并减少了正向调节因子（如RORs）的表达，而氯胺酮则对抗这些压力诱导的影响。正向和负向调节因子的失衡分别影响了Bmal1的表达和转录活性，最终导致Homer1a的诱导失调，并调节突触可塑性的机制。而在mPFC的CaMK2a-Bmal1敲除小鼠中，Bmal1对Homer1a的调节被去除，抑制了促抑郁和抗抑郁的反应。实验操作模仿负向环路的增强（如Rev-ERB激动剂SR10067）会抑制Bmal1、Homer1a和AMPA受体的表达，并产生促抑郁效应。相反，抗抑郁干预（如氯胺酮、RORα激动剂SR1078、siPer2基因敲低）抑制了负向调节因子并增强了正向调节因子，增加了Bmal1的表达和活性，最终促进了Homer1a的诱导。反过来，Homer1a的诱导与前额叶皮层中突触可塑性的标志物增加相关，包括AMPA受体表达增加和慢波睡眠（SWA）升高，对情绪产生积极影响。总体而言，这个模型描述了在压力和快速抗抑郁治疗下，前额叶皮层局部时钟的具体变化，突出了Bmal1和Homer1a的表达以及随后的突触可塑性机制作为关键要素。
总结
作者的研究结果表明，mPFC特有的时钟紊乱涉及放大的负面调节因子和下调的正面调节因子，以及Bmal1表达的失调，是重复应激后发展出抑郁样表型的关键因素。通过氯胺酮或通过直接的药理学或遗传操作来调节这些时钟元素，有助于解释抗抑郁反应的机制，其中Bmal1及其对Homer1a调节的控制起着至关重要的作用。这项工作增进了作者对昼夜节律机制在抑郁的病理生理学以及快速治疗中的作用的理解。在抑郁模型中展示分子时钟的治疗调节，为开发新的替代治疗方法提供了理论基础。