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氯胺酮发挥抗抑郁作用依赖于细胞特异性eIF4E介导的翻译过程

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  目前在临床治疗中,抗抑郁药物的一线用药(五羟色胺再摄取抑制剂,SSRIs)对超过30%的抑郁症患者治疗无效,因此,对于重度抑郁症患者的有效药物治疗仍然面临着重大的挑战。

  氯胺酮是一种非竞争性的N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-d-aspartate,NMDA)受体拮抗剂,临床中发现亚麻醉剂量的氯胺酮可产生快速且持久的抗抑郁作用,但是其中的具体机制还不清楚。

  2016年,Nature文章报道氯胺酮发挥抗抑郁作用主要依赖于其代谢产物(2R,6R) –HNK。无论是氯胺酮还是其代谢产物(2R,6R) –HNK,哺乳动物雷帕霉素靶蛋白敏感型复合体1(mammalian target of rapamycin complex 1, mTORC1)激酶激活是其发挥抗抑郁作用的关键靶点。而mTORC1可通过磷酸化/失活下游真核起始因子4E结合蛋白(eukaryotic initiation factor 4E-binding proteins ,4E-BPs),进而调控体内mRNA翻译过程。

  eIF4E(eukaryotic translation initiation factor 4E),真核细胞翻译起始因子,通过与mRNA 5’端帽子结构结合,在蛋白质翻译起始过程中发挥重要作用。次磷酸化的4E-BP与eIF4E结合会eIF4F的形成,从而阻碍了mRNA翻译的启动。通过mTORC1磷酸化后,4E-BPs从eIF4E上解离,从而促进mRNA的翻译起始。mTORC1-4E-BP信号轴对于突触可塑性至关重要。

  

  在此背景下,来自加拿大麦吉尔大学、蒙特利尔大学和卡尔顿大学的研究人员于2020年12月16日在Nature上面发文,研究mTORC1下游分子4E-BPs在氯胺酮抗抑郁机制中的关键作用。

  1,氯胺酮抗抑郁作用依赖于4E-BP1以及4E-BP2。

  在哺乳动物体内,共有3个基因编码4E-BPs,其中4E-BP1以及4E-BP2均有相关报道,并且4E-BP2是小鼠脑内含量最为丰富的亚型。4E-BP1和4E-BP2在成年小鼠PFC和HPC中的表达。

  研究人员首先分别构建了4E-BP1以及4E-BP2基因敲除小鼠Eif4ebp1−/− 和Eif4ebp2−/−。通过强迫游泳实验(forced swimming test,FST)、悬尾实验(tail suspension test,TST)以及新环境摄食抑制实验(novelty-suppressed feeding test,NSFT)研究发现,氯胺酮以及其代谢物(2R,6R)–HNK对Eif4ebp1−/− 和Eif4ebp2−/−小鼠均无抗抑郁作用,提示氯胺酮发挥抗抑郁作用依赖于4E-BP1以及4E-BP2。

  2,4E-BP1以及4E-BP2在兴奋性神经元/抑制性神经元中对氯胺酮具有不同的行为学反应。

  在海马脑区,4E-BP2表达于神经元中,而4E-BP1表达在星形胶质细胞以及小胶质细胞中,然而在皮层脑区,4E-BP1和4E-BP2在兴奋性神经元以及抑制性神经元中都有表达。

  

  图1 兴奋性神经元/抑制性神经元分别敲除4E-BP1以及4E-BP2对抑郁样行为的影响

  为了进一步明确4E-BP1以及4E-BP2是否具有细胞特异性作用,研究人员通过Cre-loxp系统,构建条件性基因敲除模型,分别敲除兴奋性神经元(Eif4ebp1Ex or Eif4ebp2Ex)或者抑制性神经元(Eif4ebp1lnor Eif4ebp2ln)中4E-BP1以及4E-BP2。

  首先,兴奋性神经元中敲除4E-BP1以及4E-BP2,研究发现:Eif4ebp1Ex 和 Eif4ebp2Ex小鼠在FST中,与正常小鼠并未有显著差异,但是阻断了氯胺酮以及代谢物(2R,6R)-HNK的抗抑郁效果,但是并未影响经典抗抑郁药物SSRIs的抗抑郁效果。

  其次,抑制性神经元中敲除4E-BP1以及4E-BP2,研究发现:Eif4ebp1ln 小鼠在FST中,与正常小鼠并未有显著差异,但是Eif4ebp2ln小鼠却表现出抗抑郁效果。此外,Eif4ebp1ln 与Eif4ebp2ln小鼠均阻断了氯胺酮以及代谢物(2R,6R)-HNK甚至SSRIs的抗抑郁效果。进一步的研究表明,抑制性神经元中的4E-BP1以及4E-BP2同时介导了氯胺酮的急性(1小时)和持续性(6天)抗抑郁作用。

  3,氯胺酮诱导的海马CA1脑区兴奋性突触传递增强以及抑制性突触传递减弱依赖于抑制性神经元中4E-BP2。

  通过膜片钳技术对小鼠海马CA1脑区锥体神经元进行电生理记录发现:

  (1)Eif4ebp2ln小鼠阻断了氯胺酮对正常小鼠增加自发性兴奋性突触后电流(sEPSC)频率的作用;

  (2)进一步对微小兴奋性突触后电流(mEPSC)和微小抑制性突触后电流(mIPSC)进行记录分析,发现mEPSC频率和幅度并未受到氯胺酮给药以及基因敲除的影响,但是正常小鼠给予氯胺酮处理可降低mIPSC频率,Eif4ebp2ln小鼠mIPSC频率出现增加。

  此结果提示,氯胺酮对抑制性突触传递的抑制作用进一步增强了兴奋性突触传递的反应性。

  4,总结

  本文主要通过构建细胞特异性4E-BP1以及4E-BP2敲除小鼠,证明了氯胺酮通过mTORC1下游分子4E-BP1以及4E-BP2发挥抗抑郁作用的关键机制,这种机制与海马脑区突触传递密切相关。进一步提示4E-BPs有望成为抗抑郁药物研发的关键靶点。

  参考文献:

  Aguilar-Valles A, De Gregorio D, Matta-Camacho E, Eslamizade MJ, Khlaifia A, Skaleka A, Lopez-Canul M, Torres-Berrio A, Bermudez S, Rurak GM, Simard S, Salmaso N, Gobbi G, Lacaille JC, Sonenberg N. Antidepressant actions of ketamine engage cell-specific translation via eIF4E. Nature. 2020 Dec 16. doi: 10.1038/s41586-020-03047-0. Epub ahead of print.

  编译作者:金刚(brainnews创作团队)

  校审:D、尹队长(brainnews编辑部)

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