科研 | Nature：糖如何通过肠-脑轴让人上瘾
编译：逍遥君，编辑：小菌菌、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
糖的味道是人类和其他动物最基本的感官知觉之一。动物即使缺乏甜味受体，也能对糖上瘾，表明存在一种独立于味觉的机制。在这里，通过检测糖偏好的神经，证明迷走神经节和脑干中的一群神经元通过肠-脑轴被激活，以产生对糖的偏好。这些神经元在糖的作用下受到刺激，并通过将糖直接递送到肠道而被激活。使用功能成像，监测了肠-脑轴的活动，并确定了肠输送葡萄糖激活的迷走神经元。接下来，设计了小鼠，在这个肠-脑回路中的突触活动被基因沉默，并阻止了对糖的行为偏好的发展。此外，还发现，通过化学遗传学激活选择这个回路可以产生对其他不太喜欢的刺激的偏好。总之，这些发现揭示了对糖偏好发展至关重要的肠-脑消化后糖传感途径。此外，解释了甜味剂与糖行为效应差异的神经基础，并揭示了糖高度食欲效应的基本回路。
论文ID
原名：The gut-brain axis mediates sugar preference
译名：糖如何通过肠-脑轴让人上瘾
期刊：Nature
IF：42.778
发表时间：2020.04
通讯作者：Charles Zuker
作者单位：哥伦比亚大学
实验设计
本研究为了研究肠-脑轴对宿主的调控，使用传感器测量小鼠对水、糖水和甜味剂的舔舐频率，使用功能成像，监测了肠-脑轴的活动，检测小鼠大脑Fos的活动，研究了小鼠对糖上瘾的潜在因素并确定肠输送葡萄糖激活的迷走神经元。此外，通过切断实验小鼠双侧迷走神经观察小鼠反向验证。为了进一步表明肠-脑轴对小鼠糖上瘾的作用，通过将编码兴奋性设计受体hM3Dq44的Cre依赖性AAV注射到Penk-Cre小鼠的cNST中，研究是否可通过刺激神经元来选择性激活小鼠的偏好。通过上述方法探究了肠-脑轴的作用及小鼠对糖上瘾的通路。
结果
1 糖分子激活肠-脑轴
为了测试糖对肠-脑轴激活的作用，对小鼠进行了实验。给予甜味剂溶液和糖水，野生型小鼠不口渴时几乎只选择糖溶液；幼鼠最初选择无差异（图1a），但随着时间的延长，在24-48h内几乎完全选择糖溶液（图1a、b，比较15h与48h）。这种行为现象也同样出现在敲除感受甜味基因的小鼠中（图1c）。尽管味觉敲除小鼠无法感受到糖，但它们学会了识别和选择糖，这极可能是消化后产生的效应。此外，当将糖换做不可代谢的葡萄糖类似物（MDG）时，小鼠仍有强烈的偏好（图1b），因此，信号系统识别的是糖分子本身，而不是其热量或代谢产物。将小鼠暴露于糖、甜味剂或水中，并检查它们的大脑是否诱导Fos活动。结果显示，只有糖和MDG在尾侧孤束核（cNST；图1d）有明显的标记。此外通过测试灌胃糖后是否可激活cNST。正如所预测的，直接肠道输注糖可像经口摄入一样强烈地激活cNST。这些结果证实了糖分子可在肠道内被识别，并调节脑部神经元。
图1 糖激活肠-脑轴。（a）实验试剂及小鼠舔舐数据记录。（b）糖与甜味剂和MDG与甜味剂的偏好差别。（c）缺乏两中甜味受体小鼠分别的偏好差异。（d）Fos诱导的糖刺激示意图。（e）Fos阳性神经元的定量。
2 沉默糖激活的回路会消除糖偏好
通过使用纤维光度测定法记录小鼠兴奋性神经元中cNST中的诱发反应。为了向肠道传递刺激，将导管直接置入十二指肠（图2a）。正如所预测的，结果显示了对葡萄糖和MDG的强烈反应（图2b-d），双侧切断迷走神经后所有活动均消失（图2b-e）。通过双侧注射携带Cre依赖性靶向表达破伤风毒素轻链（TetTox）结构的AAV的cNST，使糖偏好神经元的突触传递基因沉默（图2f）。当检测TetTox-靶向小鼠对甜味或水的偏好时，大部分选择了甜味溶液（甜味剂或葡萄糖；图2g）。然而，沉默糖激活的cNST神经元消除了它们对糖的偏好，而不包括甜味剂（图2h）。这些结果说明了该回路在驱动对糖的行为偏好中发挥重要作用。
图2 沉默糖激活的回路会消除糖偏好。（a）纤维光度法监测cNST神经元的葡萄糖诱发反应。（b-d）肠道输送葡萄糖、甜味剂或MDG后的神经反应。（e）迷走神经切断术前后神经反应的定量。（f）沉默策略示意图。（g-h）沉默后对糖的偏好检测。
3 迷走神经节神经元向大脑传递糖信号
为了验证在摄入糖后激活的cNST神经元确实受迷走神经节神经元的调控。用携带Cre依赖性糖蛋白外壳和跨突触报告病毒表面受体的腺相关病毒（AAV）和TRAPed糖激活神经元感染cNST（图3a）。用逆行狂犬病报告子（RABV-dsRed）感染TRAPed神经元，并研究糖激活的cNST神经元是否接受迷走神经节神经元的输入。使用水或甜味剂作为对照。结果表明，糖激活的cNST神经元接受来自迷走神经节的直接单突触输入。相比之下，当使用甜味剂或水时，仅标记了少量迷走神经神经元，这些神经元应该是对舔/饮水或摄入的反应（图3b，c）。
图3 迷走神经节神经元向大脑传递糖信号。（a）将红色荧光标记的逆行跨突触狂犬病报告基因（RABV-dsRed）靶向cNST的策略。（b）结状神经节中逆行标记的RABV-dsRed神经元的定量。（c）神经元反应差异。
4 迷走神经神经元可感知肠道内的糖
通过将基因编码的钙指示剂GCaMP33靶向迷走神经感觉神经元（Vglut2-cre；Ai96），实现了迷走神经节功能成像平台（图4a）。首先，检测了迷走神经神经元对肠道输送葡萄糖与甜味剂的反应。通过分析迷走神经节对摄入葡萄糖或甜味剂60秒后刺激的反应，确定了约200个神经元对葡萄糖显著反应，但其中仅有不到1%对甜味剂表现出刺激依赖性活性。此外，肠道给予MDG也激活了对葡萄糖有反应的大多数迷走神经元。通过将刺激点从60秒缩短到10秒来评估迷走神经反应的可靠性和时间因果关系。结果表明，迷走神经对肠葡萄糖的反应是可靠的（图4b、c）。
肠道中的主要葡萄糖转运蛋白是钠-葡萄糖连接转运蛋白-1（SGLT1）。因此，通过确定SGLT1的其他底物（3-O-甲基-d-葡萄糖（3-OMG））是否也激活与葡萄糖相同的迷走神经元，研究SGLT1是否需要传递肠-脑糖信号。结果表明，对肠葡萄糖有反应的神经元也受到3-OMG和半乳糖的刺激（图4d）。而且该回路专用于葡萄糖，因为其他热量糖乳果糖和甘露糖（不是SGLT1的底物）不会激活葡萄糖反应性迷走神经元（图4e）。此外，评估了SGLT1的药理学抑制是否可消除葡萄糖依赖性神经元反应。用SGLT1阻断剂根皮苷清洗肠段5 min，检测了对连续两次10s肠葡萄糖刺激的反应。结果证明肠道应用根皮苷后葡萄糖反应显著损失（图4f，g）。
图4 肠道-脑轴成像。（a）肠道-脑轴成像策略。（b）迷走神经神经元对肠道输送葡萄糖、甜味剂和MDG的反应。（c）60s和10s脉冲甜味剂、葡萄糖和MDG对肠道刺激迷走神经-神经元反应的样本痕迹（d）迷走神经神经元对3-OMG和半乳糖的反应。（e）葡萄糖反应神经元对果糖和甘露糖的热图。（f，g）肠道应用根皮苷5 min前后，33个神经元对葡萄糖10s刺激的反应。
5 糖反应性cNST神经元的激活使小鼠产生偏好
为了确定是否可以通过刺激神经元来选择性激活小鼠的偏好。检测了脑谱图中cNST表达富集的候选基因，并检测了葡萄糖诱发Fos标记的候选基因（图5a）。结果表明，cNST43中表达前脑啡肽（Penk）的神经元，以驱动tdTomato的Penk-cre结构为标志，对糖刺激有强烈反应（图5b，c）；cNST中约85%的糖诱导Fos标记神经元为Penk阳性，超过80%的Penk阳性神经元在摄入糖后被Fos标记。
将编码兴奋性设计受体hM3Dq44的Cre依赖性AAV注射到Penk-Cre小鼠的cNST中，使Penk cNST神经元可以被hM3Dq激动剂氯氮平N-氧化物或氯氮平激活。8天后使受体表达，使用人工加糖的樱桃味与葡萄味溶液对小鼠进行偏好试验（图5d）。樱桃溶液比葡萄更甜，因此动物对樱桃香精的吸引力显著增强（图5e）。接下来，将氯氮平引入葡萄香精中，并研究氯氮平介导的Penk cNST神经元激活是否可以产生新的偏好。结果发现，暴露于葡萄+氯氮平48h后，尽管葡萄溶液的甜度远低于樱桃溶液，小鼠完全改变了偏好（图5e）。但野生型小鼠对氯氮平无动于衷，继续偏好更甜的溶液（图5f）。这些结果证明，人工激活糖偏好回路足以驱动小鼠产生新的偏好。
图5 糖反应性cNST神经元的激活使小鼠产生偏好。（a-c）用葡萄糖刺激Penk-cre小鼠，分析脑片的Fos和Penk标记。（b）脑干低倍放大切片显示Penk表达。（c）糖偏好神经元表达Penk。（d）靶向Penk-cre小鼠激活DREADD受体的表达。（e）Penk-hM3Dq小鼠最初更喜欢更甜的溶液。将氯氮平介导的Penk cNST神经元激活与不太喜欢的味道相关联后，所有Penk-hM3Dq小鼠改变了它们的偏好。（f）不表达DREADD受体的小鼠不受氯氮平存在的影响。
结论
在这项研究中，表明葡萄糖通过肠道激活神经回路，并与大脑通信汇报糖的存在。除了味觉系统外，肠道中的消化后传感系统确保信号仅在糖分子达到其有效吸收和代谢消耗的所需靶标后发生。这种肠-脑回路的激活与味觉系统对糖的识别相结合，为动物提供了识别、发展和加强对富含糖食物来源的强烈和持久偏好的基本能力。这两个独立回路的进化关联将营养与基本的味觉相结合。未来，确定对其他必需营养素的偏好是否也利用了这种肠-脑轴将是有意义的。此外本研究还发现，40多年前在消费品中引入了甜味剂，它们在降低糖偏好和渴求方面的总体影响可以忽略不计。未来可能从回路层面触发（即与糖相反，它们不会激活偏好回路）开发出一类新的甜味剂，可同时激活舌头中的甜味受体和肠道-大脑轴，这也是一个新的关注方向。
综上所述，本研究使我们对肠-脑轴的认知进一步加深，了解到对甜味的渴求并不单依赖与甜味受体，更和肠-脑轴的感知和调节密切相关。
评述
你可能还喜欢