27-羟基胆固醇通过作用于POMC神经元表达的雌激素受体α调控摄食行为

27-羟基胆固醇通过作用于POMC神经元表达的雌激素受体α调控摄食行为

2024年7月12日，来自美国和新加坡的多个研究机构的科学家团队在《Science Advances》杂志上发表了一项重要研究成果。他们发现，27-羟基胆固醇（27HC）通过作用于下丘脑弓状核（ARH）中的POMC神经元表达的雌激素受体α（ERα），抑制小电导钙离子激活钾通道（SK），从而激活该神经元，迅速抑制食物摄入。这一发现揭示了27HC在调节能量稳态和胆固醇代谢中的关键作用。

研究背景

1978年，Andrew Kandutsch及其同事在“胆固醇稳态的氧固醇假说”中首次提出氧固醇（Oxysterol）是胆固醇生物合成反馈调节的主要介质【1】。氧固醇是胆固醇的代谢产物，在外周组织中产生，能够反馈调节胆固醇的合成和吸收【2-3】。27-羟基胆固醇（27HC）是人体循环中最丰富的氧固醇之一。

有趣的是，研究表明，27HC是体内合成的内源选择性雌激素受体调节剂（selective estrogen receptor modulators，SERM）【4】，能够作用于雌激素受体α和β（estrogen receptorα/β, ERα/β）。而且，相对于胆固醇来说，27HC特殊的化学结构使其能够更好地通过磷脂膜扩散，从而穿过血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）【5】。值得关注的是，在大脑中表达的雌激素受体在能量和脂质稳态调节中起到至关重要的作用【6-7】。目前，已有相关文献提出，27HC可以作为信号载体将血液中胆固醇水平反馈到中枢神经，以调节各种代谢功能，包括胆固醇代谢【8】、神经衰老【9】、神经退化【10】、炎症反应【11】和神经元葡萄糖摄取【12】。然而，27HC是否是通过雌激素受体对大脑神经元活性产生影响从而调节全身能量稳态，目前尚不可知。

研究发现

来自伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois Chicago，UIC）的徐平稳博士，路易斯安那州立大学潘宁顿生物医学研究中心（Pennington Biomedical Research Center，PBRC）的何彦林博士，美国贝勒医学院（Baylor College of Medicine，BCM）的王春梅博士，以及新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University，NTU）的叶慧博士研究团队合作，在《Science Advances》杂志上发表了题为“27-Hydroxycholesterol acts on estrogen receptor α expressed by POMC neurons in the arcuate nucleus to modulate feeding behavior”的研究成果。

该研究发现，27HC通过作用于下丘脑弓状核（The arcuate nucleus，ARH）阿黑皮素原（proopiomelanocortin，POMCARH）神经元中表达的ERα抑制小电导钙离子激活钾通道（the small conductance of the calcium-activated potassium，SK）来激活该神经元，从而迅速地抑制食物摄入。这一27HC/ERα/SK/POMC信号通路可能是一种关键的负反馈机制。在高胆固醇食物摄入导致血液中胆固醇迅速上升的情况下，它能够通过减少食物摄入来有效降低血液中的胆固醇含量。这一成果揭示了当人们摄入高脂/油腻食物后，感到食欲降低的潜在原因之一。

研究方法与结果

为了研究27HC是否能够通过中枢神经调节能量代谢，该合作团队首先比较了单次腹腔（IP）以及脑室（ICV）注射27HC照成的小鼠的摄食行为以及相关代谢参数的变化。他们通过记录并分析食物摄入量，摄入间隔时长，累积食物消耗量，呼吸商，氧气消耗量，二氧化碳产生量以及脂肪利用率等指标，发现27HC的外周和中枢给药均可引起小鼠的食欲减退，并且脑室注射导致的厌食作用还会引起小鼠全身底物利用方式从碳水化合物到脂肪的急剧转变。

为了进一步研究27HC的中枢作用机理，研究人员首先利用转基因小鼠模型（ERα-ZsGreen）荧光标记ERα表达的神经元，并通过小鼠脑切片以及免疫组织化学染色发现27HC能够激活在下丘脑弓状核（ARH）中表达的ERα神经元。有趣的是，在这一区域，大部分的ERα表达在抑制采食的POMC神经元而非促进采食的刺鼠相关肽AGRP神经元。随后，研究人员利用POMCtdTOMATO小鼠模型结合电生理技术验证了27HC能够通过结合ERα的方式激活下丘脑弓状核中分布的POMC神经元（POMCARH）。这一实验结果表明POMC神经元以及ERα可能是27HC中枢调控食欲的两个重要介质。为了验证这一设想，研究人员脑室注射了27HC + BHPI (ERα拮抗剂) 或27HC + SHU9119 (POMC下游信号MC3/4-R的拮抗剂)，结果标明，BHPI和SHU9119均有效阻断了27HC 对小鼠采食行为的抑制作用。该药理学阻断实验进一步证明了POMC神经元以及ERα的关键作用。

随后，研究人员为了更具体地检验POMC神经元中表达的ERα（ERαPOMC）在27HC采食调控中的作用，他们利用Cre-LoxP重组技术，特异性地从POMC神经元中敲除ERα基因。实验结果表明，在ERαPOMC被敲除的情况下，由27HC引发的厌食效应显著降低。这一结果证实了ERαPOMC在27HC采食调节中起到不可或缺的作用。同时，研究人员利用化学遗传学技术（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs，DREADD）特异性地抑制POMCARH神经元活性，随后对小鼠的采食行为进行监测。结果表明，POMCARH 静默能显著降低27HC的厌食作用。因此，研究人员得出结论，POMCARH神经元激活是27HC降低采食的关键一环。

值得注意的是，SK3（一种 SK 离子通道的亚型）在POMCARH神经元中大量表达，是其细胞内信号传导的关键组成部分[13]。并且有报道指出，SK3离子通道能够参与整合神经元介导的食物摄入和外周代谢信号（包括白脂素和雌激素）的调节【14】。为进一步揭示27HC激活POMCARH神经元并调控食欲的神经元内分子作用机制。研究人员同样利用Cre-LoxP技术，特异性地敲除了SK3基因在POMCARH神经元中的表达。随后的电生理记录以及小鼠采食行为的监测实验均证实了SK3离子通路在27HC激活POMCARH神经元并抑制食欲中的关键角色。

模式图 (Credit: Science Advances)

结论

本研究通过电生理学，化学遗传学，基因敲除等多种技术，揭示了27HC通过作用于ERα，抑制SK3离子通道，激活POMCARH神经元并且抑制食欲，从而维持体内胆固醇动态平衡的效果。

参考文献

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12. R. Loera-Valencia et al., Hypercholesterolemia and 27-Hydroxycholesterol Increase S100A8 and RAGE Expression in the Brain: a Link Between Cholesterol, Alarmins, and Neurodegeneration. Mol Neurobiol 58, 6063-6076 (2021).
13. M. Yu et al., SK3 in POMC neurons plays a sexually dimorphic role in energy and glucose homeostasis. Cell Biosci 12, 170 (2022).
14. Feng B, Liu H, Mishra I, et al. Asprosin promotes feeding through SK channel–dependent activation of AgRP neurons[J]. Science Advances, 2023, 9(8): eabq6718.