小鼠模型在伊坎醫(yī)學院研究團隊解析抗抑郁藥物的作用機制中的應用
重度抑郁癥（MDD）以及相關的心境障礙是一類常見的精神疾病。據(jù)世衛(wèi)組織統(tǒng)計，世界上約有2.8億人患有抑郁癥。盡管慢性應激是重度抑郁癥的一個主要風險因素，但人們對應激誘導抑郁癥的分子機制仍知之甚少。選擇性5-羥色胺再攝取抑制劑（SSRI）仍是許多抑郁癥患者的首選療法，但抗抑郁藥物需要服用數(shù)周才能起效，而且緩解率低，這促使人們去尋找更直接的治療靶點。
5-羥色胺（5-HT）又稱為血清素，是一種重要的單胺類神經遞質，廣泛分布于中樞神經系統(tǒng)和外周組織。長期以來，人們一直認為5-HT調節(jié)一系列生理和行為功能，包括認識和情緒處理、自主神經活動和睡眠-覺醒周期等。盡管SSRI通過抑制5-HT轉運體起到擾亂大腦內5-HT信號轉導的作用，但目前仍不清楚血清素功能障礙本身是否會促進重度抑郁癥的發(fā)展，也無法解釋治療藥物促進癥狀緩解的機理。
近日，西奈山伊坎醫(yī)學院領導的研究團隊在分析小鼠模型和人類患者后發(fā)現(xiàn)，中縫背核中的組蛋白5-羥色胺化修飾（H3K4me3Q5ser）在應激介導的轉錄可塑性中發(fā)揮重要作用。這項研究成果于2024年6月13日發(fā)表在《Nature Communications》雜志上，突出了5-羥色胺在此過程中發(fā)揮不依賴神經傳遞的非經典作用，其結果對重度抑郁癥的治療有潛在意義。
研究材料與方法
在這項研究中，研究人員首先通過慢性社交挫敗應激（CSDS）實驗建立了抑郁癥小鼠模型。他們利用RNA-seq和ChIP-seq等方法分析了雌性和雄性小鼠以及抑郁癥患者的中縫背核（DRN），研究應激暴露對H3K4me3Q5ser動態(tài)的影響。他們還構建了慢病毒載體（由賽業(yè)生物進行病毒包裝）來降低DRN中的H3K4me3Q5ser水平，研究其對應激相關基因表達和行為的影響。
技術路線
01 構建雄性和雌性抑郁癥小鼠模型，并評估應激易感小鼠的基因表達變化
02 分析應激易感小鼠及重度抑郁癥患者DRN中的H3K4me3Q5ser水平
03 探索抗抑郁藥物氟西汀是否會改變應激易感小鼠的H3K4me3Q5ser水平
04 分析H3 5-羥色胺化的下調是否可逆轉應激介導的基因表達程序
研究結果
1 慢性社交應激導致DRN的基因表達發(fā)生變化
研究團隊之前發(fā)現(xiàn)，5-羥色胺會對組蛋白進行表觀遺傳修飾（H3K4me3Q5ser），調節(jié)大腦的神經元轉錄程序。考慮到5-羥色胺主要在中縫背核（DRN）的神經元中合成，研究人員首先研究了慢性應激暴露對DRN中基因表達程序的影響。他們通過慢性社交挫敗應激（CSDS）實驗建立了抑郁癥小鼠模型。雄性小鼠在CSDS后分成兩組：應激易感組（stress-susceptible）和應激韌性組（stress-resilient）。
他們之后對易感組、韌性組和對照組小鼠的DRN組織開展了RNA-seq分析，然后進行差異表達分析。他們發(fā)現(xiàn)，易感小鼠與對照小鼠在轉錄本上有明顯的分離模式（圖1）�；蚣患治霰砻�，差異表達的基因主要集中在神經元發(fā)育通路、突觸傳遞通路和精神疾病相關通路上。這些結果表明，雄性DRN中的應激易感基因表達程序（特別是被急性抑制的基因）可能與慢性應激暴露下觀察到的神經和行為可塑性異常有關。
由于重度抑郁癥的發(fā)病率和癥狀表現(xiàn)存在明顯的性別差異，研究人員接下來研究了慢性應激（也就是挫�。┑拇菩孕∈驞RN中的基因表達程序，以便與雄性小鼠的轉錄模型進行比較（圖1）。在這個研究模式中，挫敗的雌性小鼠對CSDS完全易感。后續(xù)分析表明，雌性挫敗小鼠DRN中的基因表達程序似乎也與異常的神經和行為可塑性有關。
圖1 雄性和雌性小鼠的慢性社交應激都導致DRN的基因表達發(fā)生變化1]
2 DRN中的H3 5-羥色胺化在慢性應激后失調
之后，研究人員分析了可能導致轉錄變化的染色質相關機制。由于DRN中富含產生5-羥色胺的神經元，他們進一步探索了小鼠DRN中H3K4me3Q5ser的潛在調控。他們發(fā)現(xiàn)，應激易感小鼠與應激韌性小鼠在H3K4me3Q5ser水平上存在顯著的差異，應激易感小鼠表現(xiàn)出明顯的缺陷。同樣地，雌性挫敗小鼠的5-羥色胺化標記也出現(xiàn)下調。他們接著測定了重度抑郁癥患者DRN中的H3K4me3Q5ser水平，以評估這些變化是否與臨床相關。結果表明，在沒有服用抗抑郁藥物的重度抑郁癥患者中，5-羥色胺化標記也下調。
為了評估H3K4me3Q5ser總體水平的改變是否與慢性應激暴露后的基因組調控模式相對應，研究人員對雄性和雌性小鼠DRN中的5-羥色胺化標記進行了ChIP-seq分析。他們評估了雄性和雌性應激小鼠之間富含H3K4me3Q5ser的蛋白編碼基因，發(fā)現(xiàn)重疊基因同樣集中在與神經元發(fā)育和突觸調節(jié)相關的通路以及與精神疾病相關的疾病富集基因位點上。這些數(shù)據(jù)表明，慢性應激導致的H3K4me3Q5ser富集模式的改變與重度抑郁癥相關的異常轉錄程序有顯著關聯(lián)。
3 抗抑郁藥物治療可逆轉應激易感性
前面的數(shù)據(jù)顯示，在服用抗抑郁藥物的重度抑郁癥患者中，H3K4me3Q5ser總體水平發(fā)生了改變，但在服用抗抑郁藥物的患者以及對照中沒有觀察到這種效應。因此，研究人員探索了這種標記是否會同樣響應小鼠的抗抑郁治療。在為期10天的慢性社交挫敗應激后，他們用抗抑郁藥物氟西汀對小鼠進行30天的治療，同時以水作為對照（圖2）。社交互動測試顯示，長期使用氟西汀治療的易感小鼠明顯逆轉了之前觀察到的缺陷。
同時，利用這種延長的時間軸（更好地反映應激易感狀態(tài)的持續(xù)性），他們還觀察到，在用水處理的應激易感小鼠的DRN中，H3K4me3Q5ser標記顯著積累，這與之前觀察到的標記總體下調趨勢不同。在氟西汀治療的應激易感小鼠中，這種積累明顯減弱，標記水平與對照和應激韌性小鼠相當（圖2）。這些數(shù)據(jù)表明，易感小鼠在慢性應激后對抗抑郁藥物的行為反應與H3K4me3Q5ser水平的降低相對應，這表明抗抑郁藥物介導的H3K4me3Q5ser下調也許在行為缺陷的緩解中起作用。
圖2 慢性氟西汀治療挽救了應激易感小鼠的行為缺陷[1]
4 降低DRN中的H3 5-羥色胺化可促進應激韌性
接著，研究人員探索了預防性地降低DRN中的H3 5-羥色胺化是否可防止應激介導的基因表達程序。他們在雄性小鼠的DRN內注射了慢病毒載體（由賽業(yè)生物進行病毒包裝），與H3.3 WT對照相比，H3.3Q5A降低了受影響位點的H3 5-羥色胺化水平。之后小鼠接受CSDS，結果表明對照小鼠的社交互動出現(xiàn)了顯著缺陷，但H3 5-羥色胺化的降低減弱了CSDS誘導的社交回避行為，表明病毒介導的H3K4me3Q5ser下調足以促進慢性應激動物的行為韌性。
RNA-seq分析表明，H3.3Q5A轉導明顯逆轉了應激誘導的基因表達譜。這些數(shù)據(jù)表明，H3 5-羥色胺化對于加強應激相關的轉錄異常模式非常重要，這些異�？赡苁菍е滦袨槿毕莸闹饕颉４送�，在應激易感小鼠中，因氟西汀暴露而顯示H3K4me3Q5ser改變的基因與H3.3Q5A轉導后差異表達的基因存在明顯的重疊。這些數(shù)據(jù)表明，下調慢性應激小鼠DRN中的H3K4me3Q5ser足以逆轉應激介導的轉錄程序并促進小鼠的行為韌性。
研究結論
總的來說，研究人員發(fā)現(xiàn)，慢性應激小鼠的DRN中顯示出失調的H3K4me3Q5ser動態(tài)，而抗抑郁藥物對這些動態(tài)的破壞足以減弱應激介導的基因表達和行為。在重度抑郁癥患者服用或未服用抗抑郁藥物的情況下，他們也觀察到相應的H3K4me3Q5ser調節(jié)模式。這些結果確定了5-羥色胺在應激介導的轉錄和行為可塑性中發(fā)揮非經典的作用，并表明某些抗抑郁藥物可能通過逆轉H3 5-羥色胺化模式改變來發(fā)揮作用。
參考文獻：
[1]Al-Kachak, A., Di Salvo, G., Fulton, S.L. et al. Histone serotonylation in dorsal raphe nucleus contributes to stress- and antidepressant-mediated gene expression and behavior. Nat Commun 15, 5042 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49336-4
