|作者：王思珍，邏輯神經科學
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海馬病變（hippocampal lesions）是阿爾茨海默症（Alzheimer’s disease，AD）的一種早期典型病理，表現出記憶功能下降【1】。然而，在AD中，海馬突觸損傷的確切分子機制尚未被完全闡明，而且，目前也尚未有有效的治療策略來改善AD海馬突觸的這種缺陷【2】。
生長激素促分泌素受體1α（growth hormone secretagogue receptor，GHSR1α，亦稱胃飢餓素（ghrelin，一種胃腸道激素）受體）是G蛋白偶聯受體（G protein–coupled receptor，GPCR）家族中的重要一員。GHSR1a除了在垂體和下丘腦中大量表達之外，也表達于海馬結構（包括：齒狀回（dentate gyrus）和海馬本部（Ammon’s horn）/海馬），這暗示著GHSR1α與海馬功能之間具有特定的關聯性【3】。而且，多項研究也證明了海馬ghrelin/GHSR1a信號通路在學習、進食的機動和快感、以及海馬突觸生理學中的特殊作用【4-7】。GHSR1a調控下的DRD1信號通路對開啟海馬突觸重組（通過Gaq-Ca2+信號途徑，其會激活Ca2+/鈣調素依賴蛋白激酶II（Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II，CaMKII)）也十分分重要【5-6】。
這些結果都表明了GHSR1ɑ在海馬突觸功能方面的重要作用：GHSR1ɑ功能障礙是否是AD海馬突觸功能障礙的原因呢？
有趣的是，J. J. Sevigny 和R. S, Seminara等人的研究表明，在AD患者、AD動物模型以及細胞模型中，GHSR1ɑ的激活效應表現出不一致【8-9】。然而，在Heng Du實驗室的一項針對輕度認知障礙（mild cognitive impairment，MCI）患者的研究中，卻發現認知能力與醯基化的胃飢餓素的循環呈負相關【7】。
這些結果進一步提示，在AD中，外源性和內源性配體對海馬GHSR1ɑ的激活可能不敏感。因此，進一步闡明AD中海馬GHSR1ɑ的確切功能將有助於我們對AD海馬病理的具體分子機制的認知。
2019年8月14日，發表於Science Translational Medicine（最新IF=17.161）上的一項前沿性研究成果中，Jing Tian（第一作者，（美國）德克薩斯大學，（中國）山東第一醫科大學千佛山醫院）、Lan Guo（共同第一作者，同上）、以及Heng Du（杜蘅,通訊作者，（美國）德克薩斯大學）等人旨在探究GHSR1ɑ在AD海馬病理分子機制中的具體作用。最終闡明了AD海馬易損性的機制；而且，在誘導劑條件下，GHSR1ɑ/DRD1的共激活很有可能是治療AD的一種有效策略【10】。該（Sci. Transl. Med. 在線封面）文章的標題為Disrupted hippocampal growth hormone secretagogue receptor 1ɑ interaction with dopamine receptor D1 plays a role in Alzheimer’s disease【10】。
首先，為了確定AD患者海馬中GHSR1ɑ蛋白水平是否發生了改變。於是，Jing Tian等人對4例AD患者和4例健康者的死後海馬組織進行了免疫組化和膜印跡實驗，同時，又在4-9月大的5×FAD小鼠和人胚胎腎（human embryonic kidney，HEK）293T細胞中進行了觀察。結果表明β-澱粉樣蛋白（β-amyloid，Aβ）能夠與GHSR1ɑ發生相互作用，形成Aβ/GHSR1ɑ復合體，而且Ghsr1ɑ的第42-116位胺基酸殘基對於與Aβ的結合至關重要 (Fig. 1)。
Fig. 1. Aβ physically interacts with GHSR1ɑa
為了進一步確定Aβ與GHSR1ɑ的相互作用是否會影響Ghsr1ɑ的功能。因此，他們進行了螢光素砷化髮夾結合劑螢光共振能量轉移實驗（fluorescein arsenical hairpin binder（FlAsH）–based fluorescence resonance energy transfer（FRET）assay，FlAsH-based FRET）（這一方法可最小化對GPCR活性檢測的干擾【11】）來檢測Aβ富集區的Ghsr1ɑ活性。發現寡聚體Aβ42與Ghsr1ɑ的相互作用會消減Ghsr1ɑ的功能 (Fig. 2)。
Fig. 2. Interaction with Aβ disrupts GHSR1ɑ activity.
同時，因為，GHSR1ɑ能夠與DRD1形成復合物，進而調控DRD1介導的海馬突觸強度和記憶功能【5】。所以，Jing Tian等人在HEK293T細胞共表達了Ghsr1ɑ和Drd來確定寡聚體的Aβ42是否會影響GHSR1ɑ/DRD1的異源二聚體化，也檢測了在臨床上GHSR1ɑ/DRD1的相互作用是否發生了改變。結果證實在AD關聯條件下，Aβ介導的GHSR1ɑ水平異常極有可能會影響海馬GHSR1ɑ/DRD1的相互作用 (Fig. 2)。
Fig. 3. Loss of Ghsrɑ replicates AD-like phenotypes.
緊接著，他們在4-9月大的小鼠模型（Ghsr, nontransgenic (nonTg), 5×FAD andGhsr/5×FAD mice）中觀察到了Aβ介導的GHSR1ɑ水平異常會致使5×FAD小鼠的海馬突觸缺陷以及認知功能下降；而且，在5×FAD小鼠中GHSR1ɑ水平異常會惡化Drd1-related CaMKII信號通路 (Fig. 3)。
Fig. 4. Combined Ghsr1ɑ/Drd1 activation rescues hippocampal synapse in vitro.
同時，他們又在培養的5×FAD小鼠海馬神經元分別添加Ghsr1ɑ和Drd1活性誘導劑MK0677（一種非肽飢餓素類似化合物，比胃飢餓素具有更高的效力）與SKF81297【12】。結果顯示在AD海馬突觸損傷中DRD1調控的GHSR1ɑ表達異常，並且，GHSR1a和DRD1聯合激活可以挽救Aβ引起的海馬突觸功能缺損 (Fig. 4)。
Fig. 5. Coactivation of Ghsr1ɑ and Drd1 preserves Ghsr1ɑ activity from Aβ toxicity.
研究者們又在HEK293T 細胞中單獨（/與Drd1）表達（/共表達）Ghsr1FIAsH/ECFP，來進一步確定特異性的GHSR1a/Drd1共激活是否由GHSR1a活性所調節。結果證實是通過削弱Aβ與Ghsr1a之間的相互作用來維持Ghsr1a活性，進而調控這種共激活 (Fig. 5)。
Fig. 6. Combined Ghsr1ɑ/Drd1 activation protects hippocampal synapse and cognition in vivo.
而且，在模型體內實驗中，他們發現兩種誘導劑能夠促使小鼠齒狀回雙皮質素（doublecortin，一種神經發生（neurogenesis）標記物【13】）陽性神經元數量的增多 (Fig. 6)。最後，研究人員證實了在兩種誘導劑幫助下，GHSR1a/DRD1的聯合激活能夠改善小鼠的突觸功能和記憶功能，而且，這種改善不受海馬澱粉樣變性（Aβ生成和積累）或tau病理的影響 (Fig. 7)。
Fig. 7. Hippocampal amyloidosis and tau phosphorylation remain unaltered in treated 5×FAD mice.
總的來說，Jing Tian等人的這項出色成果成功揭示出了AD中GHSR1a表達異常對海馬突觸損傷調控的分子機制；特性性地針對這一病理機制，且在誘導劑條件下，GHSR1ɑ/DRD1的聯合激活很有可能是治療AD的一種有效策略。
文獻參考
【1】S. W. Scheff, et al., Hippocampal synaptic loss in earlyAlzheimer’s disease and mild cognitive impairment.Neurobiol. Aging27, 1372–1384 (2006).
【2】W. V. Graham, et al., Update on Alzheimer's Disease Therapy and Prevention Strategies. Annu. Rev. Med.68, 413–430 (2017).
【3】B. K. Mani, et al., The role of ghrelin-responsive mediobasal hypothalamic neurons in mediating feeding responses to fasting. Mol. Metab. 6, 882–896 (2017).
【4】T. M. Hsu, et al., Hippocampus ghrelin receptor signaling promotes socially-mediated learned food preference. Neuropharmacology131, 487–496 (2018).
【5】A. Kern, et al., Hippocampal dopamine/DRD1 signaling dependent on the ghrelin receptor. Cell163, 1176–1190 (2015).
【6】A. Kern, et al., Apo-ghrelin receptor (apo-GHSR1a) regulates dopamine signaling in the brain. Front. Endocrinol. 5, 129 (2014).
【7】X. Cao, M. Zhu, Y. He, W. Chu, Y. Du, H. Du, Increased serum acylated ghrelin levels in patients with mild cognitive impairment. J. Alzheimers Dis. 61, 545–552 (2018).
【8】J. J. Sevigny, et al., Growth hormone secretagogue MK-677: No clinical effect on AD progression in a randomized trial. Neurology71, 1702–1708 (2008).
【9】R. S. Seminara, et al., The neurocognitive effects of ghrelin-induced signaling on the hippocampus: A promising approach to Alzheimer’s disease. Cureus10, e3285 (2018).
【10】J. Tian, et al., Disrupted hippocampal growth hormone secretagogue receptor 1ɑ interaction with dopamine receptor D1 plays a role in Alzheimer’s disease. Sci. Transl. Med. 11, eaav6278 (2019).
【11】C. Hoffmann, et al., A FlAsH-based FRET approach to determine G protein-coupled receptor activation in living cells. Nat. Methods. 2,171–176 (2005).
【12】A. A. Patchett, et al., Design and biological activities of L-163,191 (MK-0677): A potent, orally active growth hormone secretagogue. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 92, 7001–7005 (1995).
【13】S. Couillard-Despres, et al., Doublecortin expression levels in adult brain reflect neurogenesis. Eur. J. Neurosci. 21, 1–14 (2005).
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