FV3000助力中科院腦智卓越中心杜久林團隊揭示突觸發(fā)育的晝夜節(jié)律性
中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心
生物鐘通過協(xié)調(diào)這些生理和行為過程，使動物能夠適應日常環(huán)境的變化。但是，除了在諸如斑馬魚幼魚的細胞周期[5,6]、果蠅的羽化[7]，以及哺乳動物腎臟器官形成[8]中有少量報道外，人們對于生物鐘是否以及如何調(diào)節(jié)生物體早期發(fā)育過程的認識匱乏。
本研究的研究人員在前期的工作中建立了特異標記視網(wǎng)膜-視頂蓋突觸的轉(zhuǎn)基因斑馬魚模型[9]，在本研究中則是利用該模型來探究突觸發(fā)生是否具有晝夜節(jié)律性。
首先，研究人員將出生后的斑馬魚幼魚放在正常亮暗光照條件下，經(jīng)過四天的訓練或牽引（entrainment）后，開展以6小時為時間間隔、持續(xù)兩天的長時程成像。分析發(fā)現(xiàn)突觸數(shù)量的增長速率存在白天快、夜晚慢的晝夜振蕩（圖1a,b）。這一振蕩現(xiàn)象在亮暗光照牽引后轉(zhuǎn)入持續(xù)亮或持續(xù)暗的光照條件（圖1c），或者經(jīng)過反向的暗亮光照條件（圖1d）牽引后都能保持，而在生物鐘基因突變體（clocka-/-）中消失（圖1e），提示這一振蕩受到內(nèi)源生物鐘系統(tǒng)調(diào)節(jié)，具有晝夜節(jié)律性。
進一步，研究人員通過高時間分辨率成像分析突觸發(fā)育的動態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)這一節(jié)律是由突觸形成（synapse formation）而非突觸消除（synapse elimination）速率的晝夜差異造成的（圖1f）。
接著，研究人員發(fā)現(xiàn)突觸生長速率的節(jié)律性在下丘腦食欲素能（hypocretin/orexin）神經(jīng)系統(tǒng)（圖1g）功能阻斷后消失（圖1h），提示該系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)突觸發(fā)育節(jié)律現(xiàn)象。最后，研究人員通過生物鐘基因突變或食欲素能神經(jīng)元受體突變破壞突觸發(fā)生的節(jié)律性，發(fā)現(xiàn)可以造成視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)神經(jīng)元軸突分枝變大、復雜度降低，突觸數(shù)量減少、在軸突分枝區(qū)域中的密度降低和排布不均衡的結構變化（圖1i）；同時通過檢測突觸后視頂蓋神經(jīng)元的感受野，發(fā)現(xiàn)其感受野發(fā)生了與突觸前神經(jīng)元軸突分枝變大相呼應的增大現(xiàn)象（圖1j），即其視銳度功能發(fā)育受到影響。
圖1 發(fā)育早期突觸發(fā)生的晝夜節(jié)律性工作的主要結果和工作模型
此研究工作一方面揭示了生物鐘對生物體早期發(fā)育過程也具有調(diào)節(jié)作用，擴展了生物鐘的功能譜；另一方面，揭示了神經(jīng)系統(tǒng)環(huán)路發(fā)育過程中的一種新的調(diào)節(jié)機制。工作中發(fā)現(xiàn)的參與睡眠-覺醒調(diào)節(jié)的下丘腦食欲素能神經(jīng)元作為生物鐘的下游參與調(diào)節(jié)此節(jié)律現(xiàn)象，為研究生物鐘與睡眠-覺醒的相互作用以及生物鐘的輸出路徑提供了新的研究思路（圖1k）。
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原文：
Circadian regulation of developmental synaptogenesis via the hypocretinergic system | Nature Communications
參考文獻
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