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中科大在《CELL》上发文揭示参与日光照射改善学习记忆的脑内谷氨酸代谢新通路及相关神经环路机制

(2018-05-18)

中科大化学学院、中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心的黄光明教授研究组与生命科学学院神经退行性疾病研究中心、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的熊伟教授研究组合作,通过单细胞质谱、光遗传、电生理膜片钳及动物行为学等技术方法,揭示了一条脑内谷氨酸代谢新通路及其参与日光照射改善学习记忆的分子及神经环路机制。该研究成果于2018517日在线发表在国际著名期刊《细胞》(CELL)上(https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.04.014)

众所周知,适度的阳光照射对人体有很多好处,包括维生素D的合成以及多种皮肤疾病的治疗等。此外,人们还发现阳光照射对神经系统也有一定程度的影响,例如适度的日光照射可以改善人们的情绪和认知。然而,由于研究手段的局限,对日光照射引起与神经系统相关的行为变化的深层机制目前并不清楚。而日光照射皮肤最终如何影响脑内神经细胞的代谢以及神经环路的功能也一直是个未解之谜。

黄光明教授及熊伟教授研究团队,利用自主研发的单细胞质谱技术,结合神经科学的多种研究手段,发现日光照射动物皮肤后会使得血液里一种叫做UCAUrocanic Acid)的化学物质含量大幅度增加。随后他们发现,增加的UCA可以透过血脑屏障进入大脑神经细胞,在细胞内UCA通过一系列的生物代谢酶最终转化成谷氨酸。细胞内的谷氨酸在运动皮层以及海马的神经末梢释放,进而激活运动学习以及记忆相关的脑内神经环路,从而增强动物的运动学习能力以及物体识别记忆能力。这是自70-80年代之后,再度发现新的脑内谷氨酸生物合成通路。由于谷氨酸在大脑内具有参与细胞内蛋白合成、能量代谢以及兴奋性神经信号传递等多种重要的生理功能,因此,该脑内谷氨酸生物合成的新通路的发现对于了解大脑工作机理以及探索相关疾病发生机制都将起到非常重要的作用。

黄光明教授及熊伟教授研究团队在单细胞质谱/电生理分析方面开展了长期的紧密合作,分别开发了能用于复杂样品的原位质谱分析方法,实现了针对细胞内蛋白质的直接分析(Angew. Chem. Int. Ed. 2011,2011; Anal. Chem. 2016, 2018,),以及通过电生理膜片钳技术开展了对小鼠脑内单个神经元的功能鉴定与解析(Nat. Chem. Biol., 2011;J. Exp. Med., 2012; Nat. Neurosci., 2014)。研究团队联合开发了拥有完全自主知识产权的单细胞质谱技术(PNAS2017),以上研究为本项目的完成提供了重要的工作基础。

图注:日光照射改善人类情绪、学习和记忆的分子及神经环路机制

中科大化学院与生命学院联合培养博士后朱洪影以及生命学院博士研究生王宁为该论文的共同第一作者。熊伟教授与黄光明教授为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了基金委、科技部、中科院先导专项以及中组部青年千人计划等资助。该工作还得到中国科学技术大学同步辐射实验室光电离质谱线站的仪器与技术支持。




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