下视丘分泌素/食欲素系统之概述

注：本文来自本人课题组公众号"森林鱼塘"，欢迎关注公众号，里面有更多精彩内容！（编者：Can）

1.下视丘分泌素/食欲素的发现

下视丘分泌素（Hypocretin，Hcrt） 在1998年首次被两个不同的研究者同时发现报道。Lecea et al [1] 因发现其主要表达于外侧下丘脑（Lateral Hypothalamus） 且与肠促胰岛素多肽家族（incretin family of peptides）序列相似，故命名为下视丘分泌素。

Sakurai et al [2] 则因发现其具有调节进食的功能而将其命名为食欲素（Orexin），并鉴定了orexin-A 和orexin-B源于同一前体肽，由同一mRNA 编码，对应有OX1R 和OX2R两个受体，OX1R对于orexin-A高亲和，而OX2R不具有选择性。在禁食后，食欲素的表达量显著升高（图1）。

2.食欲素系统的进化保守性

食欲素系统在脊椎动物大脑进化上高度保守，从鱼类、爬行类、鸟类到哺乳类动物中均存在（图2）。

在所有哺乳动物物种中，食欲素神经元都位于外侧下丘脑（LHA）和邻近区域，包括背内侧和下丘脑后部；在斑马鱼中，食欲素神经元也位于下丘脑的背侧 [3]。

斑马鱼Hcrt神经元网络很简单：在幼鱼中由大约20个神经元组成，在成鱼中大约由60个神经元组成。斑马鱼的Hcrt由一个Hcrt基因编码，它同时编码Hcrt1和Hcrt2肽。斑马鱼上只有一个Hcrt受体，它在结构上更类似于哺乳动物的HCRTR2（表1）。

3.食欲素系统在哺乳动物中的研究

3.1 食欲素系统对睡眠-觉醒状态的调控机制探究

早在1999年，研究者就发现食欲素敲除小鼠表现出嗜睡症，并在其活跃的黑暗期尤其嗜睡，他们的清醒时期是碎片化的 [5]。

2009年有研究发现食欲素能神经元中，GABAB受体的选择性缺失会导致睡眠/清醒结构的中断 [6]。他们将小鼠的食欲素神经元GABAB受体选择性缺失(称为oxGKO小鼠)，发现oxGKO小鼠睡眠阶段严重破碎。

随着研究技术手段的进步，研究者使用光遗传学、药理学等方法研究Hcrt神经元和下游去甲肾上腺素能神经元之间的功能连接 [7]。发现在Hcrt刺激过程中，光抑制LC神经元阻断了Hcrt介导的睡眠-觉醒转变（图3）。

研究者在食欲素神经元中选择性敲除5HT1AR，发现在黑暗期的后半段，ox5HT1ARKO小鼠的总清醒时间显著缩短，NREM睡眠时间明显长于对照组小鼠（图4）。该研究阐述了5-HT对食欲素神经元抑制调节的重要作用[8]。

总的来说，食欲素具有促进清醒的作用。在促进觉醒的核团中，包括TMN， DR/MnR， LDT/PPT和LC。这些神经元不同程度地表达OX1R、OX2R，并调节清醒、NREM睡眠和NREM-REM睡眠的过渡（图5）。

3.2 食欲素系统对饮食的调控

食欲素的其他功能的研究也有不少报道 [10, 11]，CAG/orexin（CAG promoter 过表达）小鼠对饮食诱导的肥胖具有抗性，CAG/orexin转基因减少脂肪量和瘦素，增加能量消耗（图6）。

3.3 食欲素系统在学习-记忆中的研究

正常的恐惧条件反射建立需要通过OxR1传递Orexin信号 [12, 13]，LC中的OxR1封锁减弱了恐惧记忆的形成，而LC中orexin纤维的光刺激可以增强恐惧记忆的形成（图7）。

3.4 哺乳动物食欲素的输入和输出神经通路

食欲素神经元的活动受到多重调节，如下图8所示，这些上游输入从行为和环境刺激上来讲，主要包括清醒和皮质唤醒（高伽马脑电图）、探索行为、听觉刺激、情绪刺激、压力和睡眠、食物剥夺。就信号分子而言，主要可分为兴奋和抑制两大类。

在2021年发表的食欲素系统（The Orexin System）一书中，对该系统的研究进行了全面系统的总结，已知食欲素和食欲素受体对单胺能系统和胆碱能系统具有调节功能。[15]

4.食欲素系统在斑马鱼中的研究

4.1 斑马鱼食欲素系统及其受体的表达和形态结构的验证

斑马鱼中食欲素的结构和功能相对较少，但也多被证明与哺乳动物在类似。2004年Kaslin等人首次在斑马鱼中鉴定并克隆了Hcrt基因 [16, 17]。原位杂交结果显示，在斑马鱼的大脑中，含有Hcrt mRNA的神经元位于双侧吻侧下丘脑（rostral Hypothalamus），吻侧位于内侧前脑束的内侧，尾侧位于外侧隐窝的顶部 [16]（图9）。迄今为止，在斑马鱼中只发现了一种Hcrt受体，这种受体在结构上与哺乳动物的HCRT 2受体相对应 [17, 18]。

斑马鱼Hcrt神经元以谷氨酸能为主 [19]。Hcrt神经元均不表达gad67，少数表达vglut1，多数表达vglut2 (图10)。这也与鼠中的结果是一致的。

在成年斑马鱼中，hcrt纤维分别位于与哺乳动物同源的端脑背侧和pallium下中线。在下丘脑脑室周围区检测到最高密度的轴突投影，HCRT细胞体组织为两个相互相对的紧密簇，没有直接对侧投影 [19]。

4.2 斑马鱼食欲素系统对觉醒具有促进作用

Hcrt受体分布于端脑、下丘脑、后结节、松果体和后脑 [17-19]。与哺乳动物中出现的主要的hypocretin能投射到觉醒促进组胺能系统相比，在斑马鱼大脑中的组胺能细胞中还没有发现HCRT受体 [17, 18]。

脑室内注射HCRT1（而非HCRT2）会导致斑马鱼活性的轻微降低，而哺乳动物注射HCRT1后的活性则较强。hcrtR -/-与睡眠有关 [18]，而HCRT过表达可以增加斑马鱼在清醒状态下的活动 [17]。

4.3 斑马鱼食欲素核团的输入和输出神经通路

斑马鱼hcrt神经元向大脑发送广泛的上行和下行投射，就像哺乳动物一样。斑马鱼的hcrt神经元投射到单胺能核和胆碱能核 [16-18]。斑马鱼幼体中的Hcrt投影与蓝斑的去甲肾上腺素能细胞和间脑多巴胺能细胞的突起接近 [17]。成年后，Hcrt免疫反应纤维接触这些目标，并密集支配血清素能中脉，可能还支配组胺能和胆碱能类群 [16]。

总结与展望

HCRT是参与许多生理功能的多任务的多肽类，包括调节哺乳动物的摄食行为、清醒和自主-神经内分泌功能以及睡眠-清醒状态。

下丘脑泌素/食欲素神经元的异质性

基于HCRT神经元独特的基因表达谱、连接和活性，研究者认为在所有脊椎动物中，HCRT神经元可分为不同的功能亚群。相对简单的斑马鱼是研究HCRT神经元亚群结构和功能的理想模型。

睡眠-觉醒环路

多个时间尺度上的多个变量的整合是 HCRT功能的必要条件。在HCRT神经元中信息整合是如何实现的？基于层次、冗余和反馈控制的HCRT神经元输入计算模型可以预测睡眠-觉醒的转换，具有较高的精度。食欲素系统之间的联系，它们对清醒和警觉的影响，以及与记忆和认知的联系等仍有待深入研究。

此外食欲素受体也是一个潜在的新治疗靶点，以期改善睡眠障碍、年龄相关性认知衰退和神经退行性疾病的认知等。

参考文献

1.L. DE LECEA, 等人, The hypocretins Hypothalamus-specific peptides with neuroexcitatory activity. PNAS, 1998. 95: p. 322–327.

2.Takeshi Sakurai, 等人, Orexins and Orexin Receptors A Family of Hypothalamic Neuropeptides and G Protein Coupled Receptors that regulate feeding behavior. Cell, 1998. 92: p. 573–585.

3.Soya, S. and T. Sakurai, Evolution of Orexin Neuropeptide System: Structure and Function. Front Neurosci, 2020. 14: p. 691.

4.Sagi, D., L. de Lecea, and L. Appelbaum, Heterogeneity of Hypocretin/Orexin Neurons. Front Neurol Neurosci, 2021. 45: p. 61-74.

5.Richard M. Chemelli, 等人, Narcolepsy in orexin knockout mice molecular genetics of sleep. Cell 1999. 98: p. 437–451.

6.Taizo Matsukia, b., 等人, Selective loss of GABA（B） receptors in orexin-producing neurons results in disrupted sleep-wakefulness architecture. PNAS, 2009. 106.

7.Carter, M.E., 等人, Mechanism for Hypocretin-mediated sleep-to-wake transitions. Proc Natl Acad Sci U S A, 2012. 109（39）: p. E2635-44.

8.Saito, Y.C., 等人, Serotonergic Input to Orexin Neurons Plays a Role in Maintaining Wakefulness and REM Sleep Architecture. Frontiers in Neuroscience, 2018. 12.

9.Mieda, M., 等人, Differential roles of orexin receptor-1 and -2 in the regulation of non-REM and REM sleep. J Neurosci, 2011. 31（17）: p. 6518-26.

10.Funato, H., 等人, Enhanced orexin receptor-2 signaling prevents diet-induced obesity and improves leptin sensitivity. Cell Metab, 2009. 9（1）: p. 64-76.

11.Akihiro Yamanaka, 等人, Hypothalamic Orexin Neurons regulate arousal according to energy balance in mice. Neuron, 2003. 38: p. 701–713.

12.Sears, R.M., 等人, Orexin/hypocretin system modulates amygdala-dependent threat learning through the locus coeruleus. Proc Natl Acad Sci U S A, 2013. 110（50）: p. 20260-5.

13.Soya, S., 等人, Orexin modulates behavioral fear expression through the locus coeruleus. Nat Commun, 2017. 8（1）: p. 1606.

14.Lawrence, A.J. and L.d. Lecea, Behavioral Neuroscience Of Orexin. Current Topics in Behavioral Neurosciences, 2017. 33（1866-3370）.

15.Toor, B., 等人, Sleep, Orexin and Cognition. Front Neurol Neurosci, 2021. 45: p. 38-51.

16.Kaslin, J., 等人, The orexin/hypocretin system in zebrafish is connected to the aminergic and cholinergic systems. J Neurosci, 2004. 24（11）: p. 2678-89.

17.Prober, D.A., 等人, Hypocretin/orexin overexpression induces an insomnia-like phenotype in zebrafish. J Neurosci, 2006. 26（51）: p. 13400-10.

18.Yokogawa, T., 等人, Characterization of sleep in zebrafish and insomnia in hypocretin receptor mutants. PLoS Biol, 2007. 5（10）: p. e277.

19.Lior Appelbauma, b., 等人, Sleep-wake regulation and hypocretin–melatonin interaction in zebrafish. PNAS, 2009. 106.