Science：纹状体胆碱能中间神经元中的ISR激活参与多巴胺调节和技能学习
整合应激反应（integrated stress response, ISR）是一个高度保守的生化途径，一旦被激活，就会明显改变蛋白合成。它在蛋白稳态、突触可塑性、学习和记忆中的作用使得该途径成为全身性疾病和大脑疾病的一个有吸引力的治疗靶标。临床前研究已显示，小分子ISR抑制剂能够增强某些形式的学习和记忆，这进一步突出了其转化潜力。尽管越来越多的强有力的证据表明ISR是不同行为模式中可塑性、学习和记忆的有效调节因子，但是ISR参与的细胞活动部位和时间过程却没有被很好地理解。
为了更好地了解ISR在大脑中的作用，这些作者开发出一种ISR激活状态的双色报告分子---SPOTlight，并通过病毒载体将它用于细胞分辨率下的全脑成像。SPOTlight被设计为基于ISR的激活状态，从单一的转录本中不同地翻译为绿色荧光蛋白或红色荧光蛋白。相关研究结果发表在2021年4月23日的Science期刊上，论文标题为“Cholinergic neurons constitutively engage the ISR for dopamine modulation and skill learning in mice”。
这些作者首先利用免疫组织化学分析确定了报告分子读数与对ISR的已知操纵相对应。表明纹状体胆碱能中间神经元（cholinergic interneuron, CIN）中较高的ISR稳态激活的SPOTlight信号通过免疫组织化学分析加以验证。为了了解驱动CIN中ISR激活的因素，他们通过化学遗传学手段抑制CIN的活动，并评估ISR状态。他们将选择性的药物操纵和遗传操纵与对CIN的电生理学记录相结合，以便建立ISR状态影响CIN生理学的机制。荧光多巴胺报告成像被用来探究CIN中的ISR状态对急性脑切片中诱发的纹状体多巴胺瞬态的回路水平影响。此外，他们还采用任务训练法来测量CIN中ISR活动的行为影响。
药物ISR激活剂和抑制剂在体内给送时不同程度地改变了SPOTlight编码的荧光蛋白的水平，并与小鼠大脑中ISR激活的免疫组织化学标志物相对应。正如预期的那样，在正常成熟的小鼠大脑中，SPOTlight只显示出少量的细胞发生ISR激活的证据。出乎意料的是，这些作者还发现了一类显示出群体范围内ISR激活的神经元：紧张性放电（tonic firing）的纹状体CIN。对CIN放电的化学遗传学抑制减少了ISR的激活，这表明存在一种神经元活动依赖性的成分。CIN在ISR参与方面也显得与众不同；对其他具有紧张性放电特性的细胞类型的SPOTlight调查没有显示类似的较高和群体范围的ISR参与。
纹状体胆碱能中间神经元中的ISR。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abe1931。
在CIN中，抑制ISR的操作通过一种减少小电导钙活化钾通道电流的机制使得正常的2型多巴胺受体（D2R）反应发生逆转，从延缓CIN放电切换到增加CIN放电。在CIN中细胞自主的ISR抑制也逆转了D2R对诱发的纹状体多巴胺的调节，并通过增加两个学习任务的运动速度改变了技能学习。
综上所述，这些作者确定了ISR在大脑神经调节中的独特作用，这扩大了人们对ISR如何影响学习和记忆的理解。这些作者发现纹状体CIN的稳态ISR激活决定了它们对多巴胺能调控的反应，引发了回路水平的多巴胺释放，并调节了学习技能的表现。在这种情况下，ISR激活依赖于神经元活动，并影响CIN的细胞放电性。随着抑制ISR的药物走向临床，这些研究结果突出了它们对学习行为影响的一个未被重视的机制。鉴于胆碱能神经调节和多巴胺能神经调节在这一过程中的重要性，这些结果还促使人们进一步研究ISR在各种形式的突触可塑性中的作用部位。最后，SPOTlight提供了一个工具，用于探索ISR在包括发育、学习和疾病状态在内的不同背景下被激活的时间和地点。
参考资料：
Ashley R. Helseth et al. Cholinergic neurons constitutively engage the ISR for dopamine modulation and skill learning in mice. Science, 2021, doi:10.1126/science.abe1931.
Anna E. Ingebretson et al. A spotlight on the elusive striatal cholinergic interneuron. Science, 2021, doi:10.1126/science.abi4907.