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瘦素是一种由脂肪组织产生的激素，通过调节控制食欲和代谢的特定神经群体的活动来维持脂肪组织质量的稳态控制。AgRP神经元是一类位于下丘脑弓状核（Arcuate Nucleus, ARC）的神经元，主要表达刺鼠相关蛋白（Agouti-related protein, AgRP）和神经肽Y（Neuropeptide Y, NPY）。AgRP神经元的主要功能是促进食欲和增加食物摄入。它们通过释放AgRP和NPY来抑制下丘脑中其他神经元（如POMC神经元）的活动，从而增加食欲。然而，虽然AgRP神经元能在短时间内调节食物摄入，但POMC神经元的急性激活仅有极小的作用。这就提出了一种可能性，即存在一个迄今尚未确定的受瘦素调节的神经群体，能够迅速抑制食欲。
基于此，2024年10月30日美国洛克菲勒大学霍华德·休斯医学研究所Jeffrey M. Friedman研究团队在Nature杂志发表了“Leptin-activated hypothalamic BNC2 neurons acutely suppress food intake”揭示了激活下丘脑BNC2神经元的瘦素能迅速抑制食物摄入。
作者在弓状核中发现了一个新的表达基底细胞核蛋白 2（Bnc2）的瘦素靶向神经元群体，通过直接抑制AGRP神经元迅速抑制食欲。与AGRP激活的效果相反，BNC2神经元的激活在饥饿但未进食的小鼠中引起了位置偏好。BNC2神经元的活动受瘦素、食物感官线索和营养状态的调节。最后，敲除BNC2神经元中的瘦素受体会导致明显的暴食和肥胖，类似于在AGRP神经元中敲除瘦素受体所观察到的情况。这些数据表明，表达BNC2的神经元是维持能量平衡的神经回路的关键组成部分。
图一 通过喂食激活BNC2神经元
作者首先运用BNC2-P2A-iCre敲入小鼠系（以下简称BNC2-Cre）研究BNC2神经元在ARC中的动态和功能。在成年BNC2-Cre小鼠的ARC中注射AAV-DIO-mCherry，动物在隔夜禁食后接受一次瘦素注射，BNC2神经元中pSTAT3明显增加，重新喂食隔夜禁食的小鼠也导致BNC2神经元中pSTAT3含量显著增加。在成年雄性BNC2-Cre小鼠的下丘脑切片中进行全细胞膜片钳记录，在禁食或自由进食的小鼠制备的脑切片中应用瘦素，导致BNC2神经元去极化和动作电位发放率显著增加，这些效应在瘦素洗脱后是可逆的。作者使用光纤记录食物线索对BNC2神经元活动的影响。在成年雄性BNC2-Cre小鼠的ARC中注射AAV-DIO-GCaMP6s，并在ARC上方植入光纤以记录神经元活动。小鼠隔夜禁食，然后给予以下之一：一个不可食用的塑料管、一个标准饲料颗粒或花生酱（PB）。不可食用的管子对BNC2神经元活动没有明显影响。相比之下，自由进食的小鼠的BNC2神经元对不可食用的管子和标准饲料几乎没有反应，而PB仍然显著激活了BNC2神经元。这些结果表明，在禁食小鼠中，BNC2神经元的活动因食物的存在而增加，这进一步被可口性和营养状态（即，进食与禁食）增强。BNC2神经元对食物线索以及食物消耗期间产生的信号都有反应。BNC2神经元对感官线索有反应，食物的可及性和消耗进一步增加了神经激活的强度和持续时间。
图二 由BNC2神经元驱动快速和持续的饱腹感
接下来，作者使用化学遗传学和光遗传学来评估BNC2神经元的功能。在黑暗周期开始时激活BNC2神经元，与对照组的小鼠相比，导致食物摄入量和体重显著减少。相比之下，在光照周期沉默BNC2神经元显著增加了雄性和雌性小鼠的食物消耗和体重。作者进一步使用光遗传学评估了进食反应的动态，之后在ARC上方植入光纤。以20Hz的频率光遗传学激活BNC2神经元20分钟，导致隔夜禁食的小鼠食物摄入量显著减少，并且食物摄入量的减少在光刺激停止后持续了20分钟。激活ARC BNC2神经元不影响运动。与化学遗传学抑制的结果一致，光遗传学沉默BNC2神经元在20Hz的频率下显著增加了小鼠在光照周期的食物摄入量，但当光抑制停止后，这种效果并未持续。实时位置偏好测试发现，在隔夜禁食后，与表达GFP的对照组相比，小鼠对与BNC2激活相关的房间有显著偏好。然而，在光照周期测试的饱腹小鼠对光刺激配对的房间没有偏好。
图三 BNC2神经元中LepR基因敲除导致肥胖
BNC2神经元表达LepR，并且能够被瘦素激活，这表明它们在瘦素中起到了中介作用。为了评估这种可能性，研究者们利用CRISPR-Cas9基因编辑技术敲除了BNC2神经元中的LepR。在BNC2神经元中敲除LepR的雄性和雌性小鼠与接受对照小鼠相比，体重显著增加。BNC2 LepR基因敲除小鼠的总能量消耗（EE）显著增加，并且即使在以瘦体质量为指数时仍然明显。基因敲除增加体重的主要效应是由于食物摄入量的增加，两组之间的运动活动没有差异。接下来，研究者评估了BNC2 LepR基因敲除小鼠对高可口性饮食的反应。喂食标准高脂饮食（HFD，60 kcal%脂肪）的BNC2 LepR雄性基因敲除小鼠体重显著增加。BNC2神经元中的LepR对于瘦素的完全效应是必需的。研究者评估了BNC2 LepR基因敲除小鼠的葡萄糖稳态，并发现接受普通饲料9周的敲除小鼠的空腹血糖水平增加。BNC2 LepR基因敲除小鼠在葡萄糖耐量测试（GTT）中也显示出受损的葡萄糖耐量，在胰岛素耐量测试（ITT）中对胰岛素的反应显著降低。在化学遗传学激活BNC2神经元后，小鼠的葡萄糖耐量改善，胰岛素敏感性增强。化学遗传学沉默正常饲料喂养的小鼠中的BNC2神经元增加了血糖水平，并损害了葡萄糖耐量和胰岛素敏感性。以上数据表明，BNC2神经元可以独立于它们对食物摄入和体重的影响，急性调节外周葡萄糖稳态。
总结
总结来说，作者已经确定BNC2神经元作为一个快速作用的神经元群体，能够双向调节摄食和能量平衡。这一发现揭示了食欲调节的新机制，为理解能量平衡和开发新的治疗策略提供了重要依据。
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08108-2
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