Adv Sci︱周专/张泉峰/王昌河/孙晓璇揭示动作电位发放模式调控多巴胺分泌的新机制

学术 2024-12-31 14:30 四川

多巴胺在调节运动、动机、学习和奖赏方面至关重要，多巴胺稳态的功能障碍与帕金森病、精神分裂症和成瘾密切相关。中脑多巴胺神经元通过紧张性和时相性两种放电方式来释放多巴胺，作用于多巴胺受体（GPCR）发挥生理功能，但这两种放电模式如何精准调控多巴胺分泌尚不清楚。多巴胺受体分为1型和2型两大类，其中多巴胺2型受体（D2R）在突触前和突触后均有分布，突触前D2R为自抑制受体，可以通过Gi调节VGCC或者GIRK通道来影响多巴胺分泌。近年研究发现GPCR可以感知电压变化从而调节下游信号转导通路，然而在生理情况下，D2R能否感知动作电位（APs）频率或电压变化而调节多巴胺分泌仍不清楚。

2024年12月28日，北京大学周专教授团队在Advanced Science杂志上发表了最新研究成果，题为Action potential firing patterns regulate dopamine release via voltage-sensitive dopamine D2 autoreceptors in mouse striatum in vivo。这项研究发现在生理情况下存在一条GPCR-D2R调控多巴胺分泌的新通路，动作电位频率/电压通过直接作用于GPCR-D2R来调节下游电压门控型钙通道（VGCCs）的功能，进而调控多巴胺分泌，其中D131是D2R上的电压敏感位点。这条新通路对多巴胺分泌的调控贡献可高达50%，提示其具有重要的生理意义，为神经元电活动调控突触传递功能和相关疾病治疗提供新理论和新思路。

1. D2R神经兴奋依赖性调控多巴胺在体分泌

作者在中脑多巴胺脑区向前投射的前脑内侧束（MFB）给予不同频率的电刺激，通过碳纤维电极CFE实时记录纹状体的多巴胺分泌，发现D2R的拮抗剂HP和激动剂QP均在低频刺激下（20 Hz）显著调控多巴胺分泌，而在高频刺激下（80 Hz）则无明显调控作用，表现出明显的频率依赖性，这种频率依赖性在D2R-KO小鼠里消失。以上结果表明，D2R对多巴胺分泌的调控作用受到神经兴奋模式的精准调控。

2. D2R神经兴奋依赖性调控离体脑片多巴胺分泌

接下来，研究人员又在离体脑片进行验证，D2R激动剂对多巴胺分泌的调节也呈现出严格的神经兴奋频率依赖性，D2R-KO小鼠上这种频率依赖性消失。进一步通过中脑黑质多巴胺神经元钙电流记录发现，这种调控依赖于D2R下游的L型电压门控钙离子通道（LTCCs）的钙电流易化作用。以上结果提示，动作电位频率/电压通过GPCR-D2R调节下游的LTCCs活性来调控多巴胺分泌。

3. 高度保守的D131是GPCR-D2R上的电压敏感位点

为进一步研究D2R感知膜电位变化的分子机制，作者又通过D2R-ACCs-QS、D2R-Gi--I_GIRK和D2R-Gαi3q-IP3-[Ca²⁺]_i三个体外重组报告系统，结合神经递质电化学检测、电生理记录和Confocal钙成像等不同技术手段，发现动作电位发放频率/电压可直接调控D2R，并发现D2R上电压敏感位点D131，该位点在A类GPCR中高度保守，提示动作电位发放模式可能是调控A型GPCR活性的新模式与新机制。

4. 生理状态下D131介导GPCR-D2R对多巴胺分泌的频率依赖性调控

接下来，作者又将突变的D2R-D131N通过病毒注射到D2R-KO小鼠多巴胺关键脑区黑质致密部SNpc，发现在脑片水平，D2R-D131N突变后前脉冲prepulse不再影响D2R激动剂对钙电流的调控，且D2R激动剂对多巴胺分泌的调节不再具有动作电位频率依赖性。更为重要的是，通过在体多巴胺电化学记录，发现D2R-D131N突变后，在低频20 Hz时D2R拮抗剂对多巴胺分泌调节作用降低约50%，提示在生理情况下，电压直接作用于D2R调节多巴胺分泌的新通路具有重要生理与病理意义。

综上所述，该研究通过电化学、电生理记录和钙成像等多种技术手段，在在体、离体和单细胞等不同水平，对多巴胺分泌及D2R下游通路进行检测，发现动作电位发放模式/电压直接调控D2R的证据，明确D2R上的电压敏感位点D131及其下游信号通路，即在生理情况下存在一条多巴胺分泌调控的新通路APs→D2R (D131) →VGCCs→DA release。D2R的电压依赖性在调节多巴胺在体分泌中发挥着关键作用，这种现象是否及如何对健康和患病大脑中广泛的多巴胺依赖性的运动和非运动行为做出贡献，值得在未来进行系统性研究。而GPCRs电压依赖性的普遍性也可能为经颅电刺激、经颅磁刺激等在各种精神障碍（如焦虑、抑郁和药物成瘾）临床治疗中的应用提供新思路和新视角。

电压敏感的D2R在体调节多巴胺分泌模式图

北京大学孙晓璇、尹俐力和乔忠俊博士为本论文的共同第一作者，北京大学周专教授、张泉峰研究员、西安交通大学王昌河教授、北京大学刘兵、左盼莉博士及北京大学第六医院孙晓璇助理研究员为本研究的共同通讯作者。中国科学院神经科学研究所周嘉伟教授、北京大学李毓龙教授、山东大学于晓教授、美国Northeastern University的Diomedes E. Logothetis教授、河北医科大学张海林教授为本研究提供了必要的实验材料和帮助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202412229

制版人：十一

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