生物鐘與新陳代謝緊密聯系在一起，在很大程度上依賴于器官系統之間多方面的相互作用來維持適當的時間。遺傳和/或環境因素可以破壞器官之間的溝通，改變節律活動。物質使用導致多巴胺信號的改變，然后是反饋系統中晝夜節律基因表達和代謝的重新編程。然而，大腦中多巴胺信號的改變是否會影響周圍器官的晝夜代謝尚未被充分探索。本研究對紋狀體中刺狀神經元(iMSN)多巴胺D2受體(D2R)表達缺失(iMSN-D2RKO)的小鼠肝臟代謝組進行了分析，發現與對照組小鼠相比，發現肝臟晝夜代謝組發生了深刻變化。本研究于2022年3月發表在《Proc Natl Acad Sci USA》IF：11.205期刊上。

技術路線：

主要實驗結果：

1、iMSN-D2RKO小鼠的晝行性代謝行為表現

在紋狀體中，多巴胺受體信號通路是控制生理響應非常重要的通路，包括吃和運動行為，這些都會極大程度的影響代謝。因此，作者探究了紋狀體中典型的和多巴胺D2R改變的信號通路對于生理參數的影響，首先比較野生型小鼠和同窩生在iMSNs中D2R特異性缺失小鼠間的生理參數。

由于食物攝取和運動活動會影響體重，所以作者記錄了兩種基因型小鼠從出生到成年的體重。有趣的是，觀察到在出生后前5周兩種小鼠的體重沒有差異；此后，相比于野生型，iMSN-D2RKO小鼠的體重顯著下降（圖1A）。因此，作者在量熱籠子中檢測了小鼠的日常活動和能量消耗以及飲食行為，這可以解釋成年iMSN-D2RKO小鼠和WT小鼠之間的體重差異。結果發現在活動籠中，iMSN-D2RKO 小鼠在活躍期而不是在非活躍期的光束中斷計數明顯低于 WT 同窩小鼠（圖1B）。此外，iMSN-D2RKO小鼠的能量消耗在黑暗期和有光期均顯著降低（圖1C）。與之相關的是，iMSN-D2RKO小鼠在黑暗期的鼠糧消耗量比野生型小鼠低（圖1D），但是有光期無差異，同樣的趨勢也適用于水的攝取（圖1E）。有趣的是，盡管事物攝入量減少且體重減輕，但是與WT小鼠比較，iMSN-D2RKO小鼠卻具有更高的性腺的脂肪含量（圖1F）。

圖1 iMSN-D2RKO小鼠的晝行性代謝行為表現

2、iMSN-D2RKO小鼠肝臟的晝行性代謝組譜

肝臟在代謝過程中具有中心地位。無論是遺傳還是環境挑戰都能順著晝夜節律重編程肝臟代謝。因此，作者分析了iMSN-D2RKO小鼠和同窩野生型小鼠在晝夜循環中的肝臟的代謝組。為此，每4小時從兩種基因型小鼠身上采集肝臟組織，跨越六個時間點（授時因子時間[ZT] 3、7、11、15、19、23）的完整晝夜周期。核心時鐘基因的表達證實了用于代謝物分析的樣本的節律性。使用非參數檢驗JTK_CYCLE分析晝夜節律性，以確定每個基因型顯著振蕩的晝夜節律代謝物的數量（圖2A）。發現180個代謝物中有近20%的代謝物（WT和iMSN-D2RKO小鼠中分別有34和32個代謝物）在兩種基因型中出現顯著振蕩。重要的是，80%的振蕩代謝物是脂質，包括酰基肉堿、磷脂酰膽堿、鞘磷脂和溶血磷脂酰膽堿。剩余的振蕩代謝物屬于氨基酸和生物胺類（圖2B）。特別是，WT中32%的節律性代謝物和iMSN-D2RKO肝臟中46%的節律性代謝物是氨基酸衍生的代謝物。相分析顯示ZT8和ZT14 ~ ZT18是晝夜代謝產物豐度最高的主要時間點（圖2C）。這些數據表明，節律性代謝物在WT和iMSN-D2RKO肝臟中顯示出相似的晝夜節律模式。然而，除了在兩種基因型中振蕩的代謝物子集之外，盡管晝夜節律參數有相似之處，但對在每種基因型中振蕩的個體代謝物的比較確定了獨特的代謝物，它們僅在 WT 或 iMSN-D2RKO 肝臟中振蕩（圖2D和2E）。令人驚訝的是，在iMSN-D2RKO小鼠中，與WT小鼠比較，將近44%的肝臟代謝物丟失了晝夜節律性，此外，40%的代謝產物在iMSN-D2RKO肝臟中顯示新生振蕩，而在WT中沒有觀察到。在分析的代謝物中，iMSN-D2RKO肝臟的節律性損失最大的是酰基肉堿（圖2F和2G）。這些分析表明紋狀體神經元對肝臟的影響以前被忽略，因為與 WT 相比，iMSN-D2RKO 小鼠肝臟中的代謝物顯示出晝夜節律改變的特征。

圖2iMSN-D2RKO小鼠肝臟的晝行性代謝組譜

3、iMSN中D2R丟失改變了可卡因處理鼠的肝臟節律代謝組

在基礎條件（生理鹽水）下，iMSN 中缺乏 D2R 信號對晝夜肝臟代謝物的影響促使作者進一步分析多巴胺能挑戰對 WT 和突變小鼠肝臟代謝的影響。使用可卡因處理，它可以增加紋狀體中的多巴胺水平，擾亂晝夜節律。為此，比較了生理鹽水和可卡因處理(ZT3)的WT小鼠和iMSN-D2RKO小鼠的肝臟代謝組。引人注目的是，在生理鹽水處理的 WT 小鼠中，73% 的代謝物在服用可卡因后失去了節律性。 在急性可卡因處理后，生理鹽水條件下只有 26% 的先前振蕩代謝物保持其節律性（圖3A-3B）。有趣的是，在WT肝臟中，可卡因使乙酰肉堿的振蕩減少了四倍（圖3C）。與鹽水處理的對照小鼠組織相比，可卡因給藥后 iMSN-D2RKO 肝臟中 25% 的晝夜節律代謝物失去節律性（圖3D）。相反，在生理鹽水處理的iMSN-D2RKO 小鼠中75%的震蕩代謝物不受可卡因的影響。然而，與生理鹽水處理小鼠的肝臟相比，可卡因處理后 iMSN-D2RKO 肝臟中誘導出數量驚人的新生振蕩代謝物（圖3D和3E）。在服用可卡因的iMSN-D2RKO小鼠中，節律性酰基肉堿和磷脂酰膽堿的數量明顯高于服用鹽水的小鼠（圖3F）。因此，紋狀體iMSNs中D2R信號的缺失不僅在基礎條件下嚴重影響肝臟代謝，在可卡因刺激下也會影響肝臟代謝。

可卡因干擾紋狀體中涉及D2R介導的iMSNs調節的晝夜基因表達和代謝譜。因此，分析和比較了在 ZT3 單次注射可卡因的 iMSN-D2RKO 和 WT 小鼠肝臟的完整晝夜節律代謝譜（圖3G-3I）。在服用可卡因的WT小鼠中，檢測到的代謝物有16%出現振蕩，而在iMSN-D2RKO小鼠中，高達41%的代謝物出現振蕩（圖3G）。此外，相分析顯示可卡因處理的WT小鼠和iMSN-D2RKO小鼠的生理代謝產物并不一致，在WT小鼠中，有光期節律峰值在ZT8附近，而iMSN-D2RKO小鼠則是在ZT-ZT6直接擺動。這種差異性并不依賴于可卡因注射本身，因為在所有的生理鹽水和可卡因注射組都觀察到了類似的現象。相反，兩種基因型的黑暗期的峰值都維持在ZT16（圖3H）。此外，在WT可卡因誘導的小鼠中，酰基肉堿只構成肝臟中振蕩代謝物的~ 7%，但在iMSN-D2RKO小鼠中，其構成占據晝夜代謝物的~ 30%（圖3I）。這些數據表明紋狀體D2R介導節律性肝臟代謝物的調控，并且顯示出多巴胺信號在腦中可作用于調控肝臟生理。

圖3可卡因引起的肝臟晝夜代謝紊亂

4、可卡因對肝臟代謝組的不同影響

環境線索，包括光照，食物攝取，運動，都可幫助維持中樞和外周組織的晝夜節律同步。為確定活體內代謝物水平的時間依賴性差異，比較了可卡因處理的 WT 和 iMSN-D2RKO 小鼠在 ZT11 和 ZT23 的明暗階段的代謝組學特征，兩個節點分別是光暗階段的最后時間點（圖4A）。只有在可卡因處理后，WT肝臟中的日間依賴代謝物才包括鞘磷脂和溶血磷脂膽堿（圖4A）。隨后比較了ZT11和ZT23代謝產物的上調（圖4B）。在生理鹽水處理的小鼠的肝臟中，發現超過50%的在時間點之間變化的代謝物在黑暗期表現出更高的水平，在生理鹽水條件下，WT和iMSN-D2RKO肝臟ZT23位點可以觀察到磷脂酰膽堿的時間依賴性上調（圖4C）。令人驚訝的是，可卡因逆轉了這一趨勢，并在 WT 小鼠的肝臟中誘導 ZT11 的代謝物水平高于 ZT23 的代謝物水平（圖4B）。總之，我們的研究結果表明，iMSN 中的 D2R 信號傳導中斷和急性可卡因挑戰會改變肝臟的時間代謝。

圖4可卡因對肝臟代謝組的不同影響

參考文獻：

Cervantes M, Lewis RG, Della-Fazia MA, Borrelli E, Sassone-Corsi P. Dopamine D2 receptor signaling in the brain modulates circadian liver metabolomic profiles. Proc Natl Acad Sci U S A. 2022;119(11):e2117113119. doi:10.1073/pnas.2117113119