你的口渴是哪种渴?Nature论文揭开两种不同渴觉的细胞机制

我是科学家iScientist 2020-11-23 07:00

来源:公众号“科研圈”

撰文:戚译引

审校:王童彤,研究第二作者



图片 | 王童彤 

 

为什么我们吃了薯片、咸菜想喝水,大量出汗之后却想喝点功能饮料、绿豆汤?不同场景下喝不同的饮料,不光是因为文化的影响,也受到生理本能的支配。近日在 Nature 发表的一项研究显示,哺乳动物有两种不同类型的渴觉及相应的液体摄入模式:当体液渗透压升高时,我们会寻求纯净水来稀释血液;当我们因为出汗等原因流失体液时,我们会同时寻求水和盐(矿物质)以维持内环境稳态。自然条件下的口渴通常是两种因素共同作用的结果。

 

该研究题为“不同渴觉形态的细胞基础”(The cellular basis of distinct thirst modalities),由美国加州理工学院 Dr. Yuki Oka 实验室完成,第一作者、加州理工学院博后 Allan-Hermann Pool 主导完成了单细胞转录组测序方法的优化,南开大学生命科学学院 2016 级生物伯苓班王童彤为本研究的第二作者,两人共同完成了本研究的实验、数据分析、绘图、文章的投稿与发表全过程。加州大学伯克利分校 Dr. John Ngai 实验室合作构建了文章中重要的 Rxfp1-Cre 转基因鼠系。

 

“这项工作首次阐明了大脑是如何区分并调节这两种渴觉状态的,通过优化的单细胞转录组测序方法首次揭示了具有特定调控功能的神经元类群,进一步成功通过光遗传学特异性激活的方法复现了液体摄入模式,”王童彤介绍。

 

“油门”与“刹车”

 

口渴了就喝水仿佛是一种十分自然的本能行为,但它其实有着复杂的机制。“机体的水盐平衡受到许多因素的干扰(排汗、呼吸、进食、饮水、出血等)。动物演化出了复杂的系统(例如我们描述的不同类型的口渴,或不同的饱足机制),以便恰当应对种种挑战,让我们的体内环境保持相对恒定,以维系我们的生存。”论文第一作者 Pool 博士接受科研圈邮件采访时介绍。

 

“渴觉的调控涉及许多脑环路,在这个层面上,我同意渴觉是复杂的,但是这其中所有的环路逻辑上都是为了实现恰当的水分摄入。例如,汽车有油门也有刹车,两者对于驾驶都是必须的。同样的原理也适用于渴觉调控,它有一个油门(驱动神经元),在需要水分的时候驱动我们喝水;它也有一个刹车(饱足神经元),在水分充足的时候让我们停下来。”加州理工学院生物学系教授、陈天桥雒芊芊脑科学研究院研究员、本研究通讯作者 Yuki Oka 接受科研圈邮件采访表示。

 

在 2018 年发表的另一篇《自然》论文(doi: 10.1038/nature25488)中,Oka 实验室识别出小鼠大脑中负责感知血液浓度、调控水分摄入的区域。最新研究主要关注其中的“油门”,即驱动饮水的神经元。王童彤介绍:“大脑中的穹窿下器官(subfornical organ, SFO)和下丘脑终板血管区(organum vasculosum lamina terminalis, OVLT)接邻第三脑室,血脑屏障较薄,是感受体液信号的关键脑区。以往研究发现,通过光遗传激活小鼠该脑区全部的兴奋性神经元,会引起强烈的液体摄入行为。”

 

那么,在口渴的时候,我们如何判断自己想喝什么?当同时为小鼠提供纯水和矿物质溶液,是什么驱动它们作出不同的选择?

 

你的口渴是哪种渴?

 

为了更好地鉴定调控不同类型渴觉的神经元,研究采用了单细胞转录组测序方法。简单来说,这种方法就是将目标组织制备成单细胞悬液,经过液滴微流控分选细胞,最后对每个细胞中的转录组进行测序,从而了解细胞中不同基因的表达水平。

 

王童彤介绍,为了鉴定出在不同生理状态下被激活的细胞,研究团队对转录组测序方法进行了优化。“传统的单细胞转录组测序方法,在裂解细胞的过程会引发高水平的早期基因(immediate early genes, IEGs)的表达,因为裂解这个步骤对细胞自身来说是一个很强的刺激,也就是应激反应。早期基因是神经科学中常用来判断神经元是否被激活的一类标志基因。”也就是说,经过单细胞转录组测序操作之后,研究者难以判断这些早期基因的表达究竟是正常的细胞生理过程,还是由实验操作引起的。

 

为了解决这个问题,文章第一作者 Pool 博士优化了转录测序的方法。王童彤说:“最主要的一个改变,简单来说是我们使用了一种化学试剂,它就是放线菌素 D(actinomycin D),可以抑制转录,把每个细胞的转录组‘冻存’起来。”

 

借助这种方式,研究团队得以更好地了解细胞原本的生理状态,从而鉴定出在失水状态下激活的两类神经元,分别对应高渗透压的情况(如摄入盐分)和低血容量的情况(例如体液流失)

 

在饱足、渗透压应激、血容量不足和水分剥夺四种不同状态下,小鼠大脑中 SFO、OVLT 两个区域的 Fos 蛋白表达。| Nature

 

验证口渴“开关”

 

接下来,研究团队使用光遗传学技术,对鉴定出的两类神经元进行功能性验证。“以往定义调控渴觉的兴奋性神经元细胞,基于两个标准:一是神经元在动物失水条件下被激活;二是激活这些神经元会导致动物的饮水行为。”王童彤介绍。

 

光遗传学技术目前已经普遍应用于行为学研究中。其原理简单来说,就是借助病毒将光敏感离子通道表达于特定细胞的细胞膜上,然后就能使用光激活特定神经元。在这项研究中,“研究团队构建了能较全面标记在特定口渴状态下被激活神经元的转基因 Cre 鼠,来进行神经元类群的功能性验证。一方面,通过光遗传激活特定神经元类群,复现了相应生理状态下的液体摄入模式;另一方面,通过化学遗传抑制特定神经元类群,相应生理状态下的行为受到了损伤。本研究从激活和抑制两个方面,验证了神经元类群功能和行为之间的因果关系。”王童彤介绍。

 

                   

RXFP1 神经元的激活使饱足动物对纯水产生强烈需求。| Nature


                   

PDYN 神经元的激活引发对水和高渗盐溶液的非特异性摄入行为。|  Nature


尽管光遗传学技术已经得到广泛应用,但王童彤表示,这方面的研究仍然受到转基因小鼠的局限。构建转基因 Cre 鼠需要一到两年,也不是所有基因都能成功构建 Cre 鼠,“已经有一些实验室在从事技术研发,包括基于 CRISPR 基因编辑技术,希望可以实现高效靶向普通小鼠的特定细胞类型,我们就可以通过光遗传技术特异性地激活转录组(测序)揭示的每一种细胞类型,直接地看看每一种细胞类型分别有什么样的功能。”

 

大脑如何解码渴觉信号?

 

得益于相关技术的发展,近年来学界对渴觉的理解不断深入,多项相关研究在 Nature、Cell 发表。2019 年 4 月,加州大学旧金山分校的 Zachary Knight 教授团队发表的《自然》论文探讨了大脑如何判断喝下的饮料是否解渴(doi:10.1038/s41586-019-1066-x)。简单来说,口腔和喉咙的传感器能够向大脑发送信号,表示“喝过水了”;而位于肠胃部的传感器会再次确认机体的状态,告诉大脑是否喝够了。这解释了为什么喝水解渴的效果立竿见影,尽管水分实际上要过大约 10 分钟才能真正被吸收。

 

Oka 教授认为:“渴觉是所有机体的一种基础的本能。理解渴觉回路将帮助我们理解大脑如何探测内环境、处理信号和驱动刻板行为(stereotyped behavior)。”接下来,研究团队计划研究更高级的大脑中枢如何解码渴觉感受神经元发出的信号,引发饮水行为。

 

Pool 博士表示:“我们还希望理解不同的激励系统(motivational system)之间如何互相竞争(如饥饿、口渴和疼痛),以主导行为。”

 

王童彤补充:“对于哺乳动物来说,不管是哪一种功能,从广义的逻辑角度上来说是有一些相似性的,分为促进和抑制两方面。”例如,促进产热和抑制产热的机制存在于体温调节的过程中,“所以我们理解了渴觉的调控机制,对于理解其他的生理功能有很大的帮助。”

 


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[1] Pool, A., Wang, T., Stafford, D. et al. The cellular basis of distinct thirst modalities. Nature (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2821-8


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