中科大在《CELL》上發(fā)文揭示參與日光照射改善學習記憶的腦內谷氨酸代謝新通路及相關神經(jīng)環(huán)路機制
中科大化學學院、中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心的黃光明教授研究組與生命科學學院神經(jīng)退行性疾病研究中心、中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心的熊偉教授研究組合作，通過單細胞質譜、光遺傳、電生理膜片鉗及動物行為學等技術方法，揭示了一條腦內谷氨酸代謝新通路及其參與日光照射改善學習記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機制。該研究成果于2018年5月17日在線發(fā)表在國際著名期刊《細胞》（CELL）上(https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.04.014)。
眾所周知，適度的陽光照射對人體有很多好處，包括維生素D的合成以及多種皮膚疾病的治療等。此外，人們還發(fā)現(xiàn)陽光照射對神經(jīng)系統(tǒng)也有一定程度的影響，例如適度的日光照射可以改善人們的情緒和認知。然而，由于研究手段的局限，對日光照射引起與神經(jīng)系統(tǒng)相關的行為變化的深層機制目前并不清楚。而日光照射皮膚最終如何影響腦內神經(jīng)細胞的代謝以及神經(jīng)環(huán)路的功能也一直是個未解之謎。
黃光明教授及熊偉教授研究團隊，利用自主研發(fā)的單細胞質譜技術，結合神經(jīng)科學的多種研究手段，發(fā)現(xiàn)日光照射動物皮膚后會使得血液里一種叫做UCA（Urocanic Acid）的化學物質含量大幅度增加。隨后他們發(fā)現(xiàn)，增加的UCA可以透過血腦屏障進入大腦神經(jīng)細胞，在細胞內UCA通過一系列的生物代謝酶最終轉化成谷氨酸。細胞內的谷氨酸在運動皮層以及海馬的神經(jīng)末梢釋放，進而激活運動學習以及記憶相關的腦內神經(jīng)環(huán)路，從而增強動物的運動學習能力以及物體識別記憶能力。這是自70-80年代之后，再度發(fā)現(xiàn)新的腦內谷氨酸生物合成通路。由于谷氨酸在大腦內具有參與細胞內蛋白合成、能量代謝以及興奮性神經(jīng)信號傳遞等多種重要的生理功能，因此，該腦內谷氨酸生物合成的新通路的發(fā)現(xiàn)對于了解大腦工作機理以及探索相關疾病發(fā)生機制都將起到非常重要的作用。
黃光明教授及熊偉教授研究團隊在單細胞質譜/電生理分析方面開展了長期的緊密合作，分別開發(fā)了能用于復雜樣品的原位質譜分析方法，實現(xiàn)了針對細胞內蛋白質的直接分析（Angew. Chem. Int. Ed. 2011,2011; Anal. Chem. 2016, 2018,），以及通過電生理膜片鉗技術開展了對小鼠腦內單個神經(jīng)元的功能鑒定與解析（Nat. Chem. Biol., 2011;J. Exp. Med., 2012; Nat. Neurosci., 2014）。研究團隊聯(lián)合開發(fā)了擁有完全自主知識產權的單細胞質譜技術（PNAS，2017），以上研究為本項目的完成提供了重要的工作基礎。
圖注：日光照射改善人類情緒、學習和記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機制
中科大化學院與生命學院聯(lián)合培養(yǎng)博士后朱洪影以及生命學院博士研究生王寧為該論文的共同第一作者。熊偉教授與黃光明教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了基金委、科技部、中科院先導專項等資助。該工作還得到中國科學技術大學同步輻射實驗室光電離質譜線站的儀器與技術支持。
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