張玉秋團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)初級(jí)感覺(jué)神經(jīng)元AC3可調(diào)控外周傷害感受和κ阿片鎮(zhèn)痛

近日，張玉秋團(tuán)隊(duì)最新研究揭示了小鼠外周神經(jīng)系統(tǒng)AC3在傷害性信息調(diào)控及KOR阿片鎮(zhèn)痛中的關(guān)鍵性作用。該研究為開(kāi)發(fā)靶向特異性AC亞型的鎮(zhèn)痛策略提供了重要線索。

腺苷酸環(huán)化酶（ACs）是一類具有重要生理學(xué)功能的酶家族，可以催化ATP生成胞內(nèi)第二信使cAMP。迄今為止，哺乳動(dòng)物體內(nèi)共發(fā)現(xiàn)10個(gè)亞類的ACs。鑒于ACs的廣泛分布和參與眾多細(xì)胞生理過(guò)程，研究AC亞型在不同類型組織細(xì)胞中的功能從而探索靶向AC亞型的臨床藥物開(kāi)發(fā)是大有前景和極具挑戰(zhàn)的工作。相對(duì)于其他AC亞型，對(duì)AC3在神經(jīng)系統(tǒng)的功能研究相對(duì)較晚。最初的研究發(fā)現(xiàn)AC3主要表達(dá)在嗅上皮纖毛，負(fù)責(zé)嗅球氣味和信息素的檢測(cè)，激素或氣味分子與G蛋白耦聯(lián)受體（GPCRs）相互作用通過(guò)Gαolf蛋白激活A(yù)C3。敲除AC3會(huì)導(dǎo)致氣味介導(dǎo)的信號(hào)通路缺失，氣味介導(dǎo)的學(xué)習(xí)等行為受損，嗅覺(jué)軸突發(fā)育及投射異常，嗅覺(jué)纖毛對(duì)氣流機(jī)械力的檢測(cè)缺失。隨后的研究發(fā)現(xiàn)AC3在整個(gè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的初級(jí)纖毛廣泛表達(dá)，并被作為中樞神經(jīng)元初級(jí)纖毛的標(biāo)志物。AC3全身敲除小鼠出現(xiàn)對(duì)新物體的短期記憶減弱，環(huán)境條件恐懼記憶消失，并出現(xiàn)睡眠模式改變和抑郁樣行為等。張玉秋課題組的最新研究發(fā)現(xiàn)，不同于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和嗅覺(jué)感受器，AC3在軀體感覺(jué)感受器神經(jīng)元特別是DRG傷害感受器神經(jīng)元胞體大量表達(dá)。利用cre-loxp系統(tǒng)選擇性敲除DRG內(nèi)AC3（AC3CKO），小鼠對(duì)多種方式的傷害性刺激包括機(jī)械、熱和化學(xué)刺激的反應(yīng)增強(qiáng)，表明DRG缺失AC3導(dǎo)致痛覺(jué)敏化。電生理記錄顯示，敲除AC3的DRG神經(jīng)元電壓門控鉀通道電流（IA和IK）降低，神經(jīng)元興奮性增強(qiáng)。作為代償，AC3CKO小鼠DRG內(nèi)AC1表達(dá)顯著上調(diào)，cAMP含量增加。抑制AC1可顯著翻轉(zhuǎn)AC3CKO引起的cAMP濃度增高、電壓門控鉀電流減小和神經(jīng)元興奮性增強(qiáng)，并有效緩解AC3CKO小鼠的痛覺(jué)敏化行為。

腺苷酸環(huán)化酶（ACs）是G蛋白耦聯(lián)受體（GPCRs）的效應(yīng)器。阿片類藥物是一種常見(jiàn)的鎮(zhèn)痛藥物，可通過(guò)其相應(yīng)G蛋白耦聯(lián)受體激活Gαi蛋白，抑制ACs催化生成cAMP，減少突觸傳遞，降低神經(jīng)元活動(dòng)，抑制傷害性行為反應(yīng)。作為DRG神經(jīng)元主要表達(dá)的AC亞型，AC3是否參與介導(dǎo)阿片類藥物的鎮(zhèn)痛作用尚缺乏實(shí)驗(yàn)證據(jù)。本研究結(jié)果顯示，AC3CKO導(dǎo)致κ阿片受體（KOR）介導(dǎo)的鎮(zhèn)痛作用完全缺失，但對(duì)μ阿片受體（MOR）和δ阿片受體（DOR）介導(dǎo)的鎮(zhèn)痛無(wú)影響。鞘內(nèi)給予Gαi/o蛋白抑制劑可完全阻斷KOR介導(dǎo)的鎮(zhèn)痛效應(yīng)。RNAscope熒光原位雜交實(shí)驗(yàn)顯示，超過(guò)85%以上的KOR陽(yáng)性神經(jīng)元表達(dá)AC3 mRNA。鄰位連接技術(shù)和免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)顯示KOR和AC3存在相互作用，蛋白對(duì)接模型預(yù)測(cè)顯示，KOR分子上的170Arg-196Leuα-螺旋結(jié)構(gòu)與AC3的940ILE-952LEU β-turn結(jié)構(gòu)和1123Asp-1142asp α-螺旋結(jié)構(gòu)相結(jié)合。這些結(jié)果提示，除了經(jīng)典的Gαi/o信號(hào)通路，KOR與AC3蛋白之間直接的相互作用可能也參與介導(dǎo)κ阿片鎮(zhèn)痛。

▲總結(jié)示意圖

該項(xiàng)研究成果主要由張玉秋教授課題組博士生張?chǎng)ǖ谝蛔髡撸┩瓿?，山東中醫(yī)藥大學(xué)付先軍教授課題組提供蛋白對(duì)接模型。相關(guān)研究成果以“Peripheral ablation of type Ⅲ adenylyl cyclase induces hyperalgesia and eliminates KOR-mediated analgesia in mice”為題，發(fā)表于JCI Insight（2022,7:e153191）雜志上。研究得到教育部腦科學(xué)前沿科學(xué)中心和醫(yī)學(xué)神經(jīng)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以及張江實(shí)驗(yàn)室和上海腦科學(xué)與類腦研究中心支持。