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【Science】单细胞蛋白分析技术揭示肠脑神经回路新机制

2021-11-03

为什么我们会感觉到饥饿?

为什么进食之后会出现饱腹感?

我们能感知到大脑与肠道的紧密联系,以往的研究认为这种感知与触觉、视觉、声音、气味和味觉通过受神经支配的上皮传感器细胞传递到大脑不同,肠道刺激的感知被认为涉及消化系统和中枢神经系统之间信号传递的肠道-大脑连接(gut-brain connection)是以激素转运为基础的,这种基于激素的信号传递大约需要10分钟。在肠道中,有一层上皮细胞将腔与下面的组织分开。分散在该层内的是称为肠内分泌细胞的可电兴奋细胞,它们感知摄入的营养物质和微生物代谢物。与味觉或嗅觉受体细胞一样,肠内分泌细胞在存在刺激时会激发动作电位。然而,与其他感觉上皮细胞不同,肠内分泌细胞和脑神经之间没有突触联系的描述。人们认为这些细胞仅通过激素(如胆囊收缩素)的缓慢内分泌作用间接作用于神经。尽管它在饱腹感中起作用,但胆囊收缩素的循环浓度仅在摄入食物后几分钟达到峰值,并且通常在用餐结束后。这种差异表明大脑通过更快的神经元信号感知肠道感觉线索。

来自美国杜克大学医学院的科学家们,利用Milo,揭示迷走神经(vagus nerve)可直接连接着肠道与中枢神经系统。相关研究结果发表在Science期刊上,标题为“A gut-brain neural circuit for nutrient sensory transduction”。

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Milo单细胞Western Blot 验证肠分泌细胞存在神经突触相关蛋白

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本文使用与小肠类器官或纯化的肠内分泌细胞共培养的结节神经元,在体外重现了神经回路。并结合单细胞定量实时聚合酶链反应和单细胞Western Blot(Milo)共同对突触蛋白进行检测和评估。利用Milo在蛋白水平进行了进一步的验证:单细胞蛋白质印记结果显示83%肠内分泌细胞含有synapsin-1(分析的198 CckGFP细胞中的164个),与其他肠上皮细胞相比,纯化的CCK-肠内分泌细胞表达突触粘附基因Efnb2、Lrrtm2、Lrrc4 和 Nrxn2,表明这些上皮传感器具有形成突触的机制。

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为了确定与肠内分泌细胞接触的突触的神经元的来源,本文使用了一种改良后的狂犬病毒(DG-rabies-GFP,能感染神经元,但缺少跨突触传播所需的G糖蛋白),发现在肠道类器官中,狂犬病比其他上皮细胞更喜欢感染肠内分泌细胞。并且肠内分泌细胞与迷走神经元突触,通过使用谷氨酸作为神经递质,在几毫秒内转导肠腔信号。这些突触连接的肠内分泌细胞(神经足细胞)形成的神经上皮回路通过一个突触将肠腔与脑干连接起来,为大脑打开一条物理管道,以突触的时间精度和空间分辨率感知肠道刺激。也正是这些突触信号神经足细胞告诉大脑肠道中发生的事情,对我们吃的食物做出一定的反馈。

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