多巴胺是什么(多巴胺是快乐的意思吗)

学术笔记

胶质细胞的思想塑形：胶质细胞中的VMAT2在多巴胺稳态调节及大脑功能的作用

Shaping mind with glia: role of glial VMAT2 in dopamine homeostasis and cerebral functions

报告人：Jean-Pierre Mothet

整理人：周恩兴

审核人：饶毅

2017年2月21号下午，来自法国国家科学研究院(Centre national de la recherché scientifique, CNRS)的Jean-Pierre Mothet教授受IDG/麦戈文脑研究所的饶毅老师邀请来到北京大学，并在王克桢楼1113会议室为大家带来一场报告：Shaping mind with glia: role of glial VMAT2 in dopamine homeostasis and cerebral functions。Mothet教授的主要研究方向是脑中一类非经典的神经递质：D型氨基酸，它的代谢以及功能研究，特别是其作为胶质递质(gliotransmission)的重要组分的作用。本次讲座中，Mothet教授介绍了其实验室的最新成果：星型胶质细胞中的多巴胺代谢以及功能分析。

一

概述

大脑的功能在诸如衰老、帕金森症、阿尔兹海默症、精神分裂等多种脑疾病中，都发生了剧烈的改变。人们每年都在这些疾病上花费了大量的资源。大脑内部的细胞之间是通过突触，特别是化学突触进行信号传递。上述的所有这些疾病在一定程度上也可以被笼统的称为“突触病” (synaptopathies)。Mothet教授之前的工作主要关注在一类非经典的神经递质：D型氨基酸，特别是D型丝氨酸的代谢以及功能研究。他发现在化学突触中的NMDA受体是被D型丝氨酸而不是甘氨酸调节。而且有一部分的D型丝氨酸可能是作为胶质递质组(gliotransmission)的一部分，被胶质细胞储存及释放，并通过调节神经细胞的活性进而影响到上述的突触病。

在本次的讲座中，Mother教授主要和我们介绍了前额叶(prefrontal cortex, PFC)中的神经胶质细胞的多巴胺代谢及胶质细胞中的多巴胺对神经系统的影响以及对生物体行为的调节。

二

研究结果

之前对多巴胺的研究表明：多巴胺与突触可塑性，学习记忆，专注能力，决策以及情绪调节均有密切的关系。而且多巴胺含量的改变与多种疾病都关系密切。已有的研究表明：多巴胺对突触发育的调节可能是通过D2R受体介导；多巴胺可以调节NMDAR介导的谷氨酸信号通路；此外胶质细胞可能对于多巴胺的功能有一定的调节作用。但是之前的研究认为的胶质递质组(gliotransmission)包括：NO，D型丝氨酸，GABA，Glu，细胞分裂素和神经肽。而单胺类，比如多巴胺，在胶质递质中的作用尚不清楚。Mother教授试图从以下三个方面分析胶质细胞中多巴胺的作用：1. 在生理条件下，胶质细胞中的多巴胺的释放及触发条件；2.分子及细胞生物学基础证据；3. 胶质细胞内的多巴胺与疾病的关系。

定位

通过RT-PCR分析，他们发现在胶质细胞中有表达多巴胺代谢中的关键酶：OCT3 (organic cation transporter 3)， MAOB(monoamine oxidase B)， VMAT2(vesicular monoamine transporter)，PMAT(plasma membrane monoamine transporter)等。而且，通过免疫染色的方法，确认了MAOB等蛋白在胶质细胞中的表达。从这些酶的种类，可以推测胶质细胞可以转运多巴胺，但是应该无法合成多巴胺。

那么现在的问题是：胶质细胞中是否储存有多巴胺？通过免疫荧光成像的方法，同时染色多巴胺的囊泡转运蛋白，VMAT2以及胶质细胞标记抗体。他们分析了VMAT2在幼年小鼠PFC中的分布。他们发现：VMAT2在一部分的神经胶质细胞中有分布。同时通过分析VMAT2-HA转基因小鼠的VMAT2-HA分布，也确认了VMAT2在PFC中的星型胶质细胞内分布。通过免疫染色辅助电子显微镜成像的方法进一步确认了其在幼年小鼠PFC中的胶质细胞定位及亚细胞定位。而且之前其他人的工作也已经发现在成熟的小鼠脑中的星型胶质细胞中也有表达VMAT2。那么,现在的问题就是VMAT2表达的星型胶质细胞中是否含有多巴胺？通过免疫成像，辅助以电子显微成像、3D重构等方法，他们发现了含有VMAT2的星型胶质细胞中同样含有多巴胺。

突变品系

那么星型胶质细胞中的多巴胺的功能是什么呢？通过杂交将携带有在胶质细胞中表达的hGFAP-CreERT2与loxp-VMAT2小鼠重构。在注射了tamoxifen(TAM)之后，获得了胶质细胞中特异性的VMAT2敲除的小鼠(aVMAT2KO)。在这个小鼠中，特异性的敲除了胶质细胞内的VMAT2。从而为分析胶质细胞内的多巴胺功能提供了工具品系。通过免疫荧光成像的方法，确认了TAM注射可以特异性的敲除胶质细胞中的VMAT2，而神经细胞则没有受到影响。通过HPLC测量了细胞外液中多巴胺的含量。发现aVMAT2KO小鼠中多巴胺的含量下降了~40%。而通过在体微透析，在体测量到小鼠的PFC中的多巴胺含量下降了~30%。

他们随后分析了aVMAT2KO小鼠的其他生理及行为指标：他们发现神经细胞的电活性没有发生显著的改变。此外多巴胺能神经元自身的活性也没有发现有显著的改变。而且突变小鼠自身生长情况正常，皮层分层情况及皮层中胶质细胞含量等都没有发现有显著的改变。以上这些分析表明aVMAT2KO小鼠没有发生显著的发育障碍，神经细胞以及胶质细胞的发育均没有发现显著的改变。

星型胶质细胞中多巴胺的代谢

VMAT2蛋白是在囊泡中转运多巴胺，aVMAT2KO小鼠的细胞外液中的多巴胺含量下降了。那么细胞质中的多巴胺含量是否受到影响？使用安非他命处理，可以导致细胞外液中的多巴胺含量提高，这一作用是通过刺激细胞膜上的单胺转运蛋白达成的。通过安非他命处理可以间接的测量细胞质中的多巴胺含量。他们发现aVMAT2KO小鼠在安非他命处理之后，细胞外液中的多巴胺含量提升的幅度显著低于野生型。这说明aVMAT2KO细胞质中的多巴胺含量也下降了。

在之前的结果中：aVMAT2KO小鼠中，细胞外液中的多巴胺的含量下降了至少30%。现在发现细胞质中的多巴胺含量也发生了显著的下调。那么在aVMAT2KO这种低多巴胺环境下，小鼠的多巴胺代谢发生了什么改变？他们在aVMAT2KO小鼠中，加入多巴胺降解酶， MAOB的抑制剂。他们发现细胞外液中的多巴胺含量有了显著的提高。这说明在aVMATKO小鼠中，MAOB的活性可能被上调了。而多巴胺的另一降解酶，COMT的抑制剂则没有显著的作用。在aVMT2KO小鼠的胶质细胞中，由于多巴胺无法被转运到囊泡中，可能进一步刺激了胶质细胞内多巴胺降解酶活性提高，进而加速多巴胺的降解，导致细胞内外的多巴胺含量都出现显著降低。

使用病毒转染VMAT2的方法，可以回复星型胶质细胞中的VMAT2的表达，并且可以回复细胞外液中的多巴胺含量。

那么星型胶质细胞中的VMAT2对于星型胶质细胞的多巴胺释放起到什么样的作用呢？在野生型中G蛋白偶联受体，PARs-1（Protease-activated receptors, 胶质细胞中表达的受体，可能会激活胶质细胞)的agonist显著的提高细胞外液中的多巴胺水平；然而在aVMAT2KO中，PARs-1激动剂则没有显著的作用。这说明VMAT2的正常功能对于胶质细胞释放多巴胺的能力是必须的。而对VMAT2以及多巴胺同时进行了免疫染色成像，发现二者在胶质细胞中有一定程度的共染。LAMP1是标记细胞内吞体及溶酶体的标记蛋白，LAMP1在星形胶质细胞中也与多巴胺有共染。这表明胶质细胞对多巴胺的回收有一定的作用。D22是OCT3的抑制剂，可以抑制多巴胺的吸收，D22处理导致LAMP1中的多巴胺缺失，这进一步确认了星型胶质细胞对多巴胺回收的作用。

星型胶质细胞中多巴胺的功能

他们发现PFC中的锥形神经细胞(pyramidal neuron)的活性在aVMAT2KO小鼠中，并没有发生显著的改变。进一步对神经细胞可塑性进行的分析发现：pyramidal细胞的mEPSC的频率发生了显著的提高，然而amplitude则没有显著的改变。并且这一表型可以被病毒介导的VMAT2重表达所回复。而且在长时突触可塑性上，aVMAT2cKO中的LTP改变幅度显著下降。并且这一表型也可以被病毒所回复。最后在突触发育上，aVMAT2KO小鼠的PFC中的未成熟突触数目显著减少，而成熟突触的数目显著提高。

在小鼠行为层面上，aVMAT2cKO小鼠也有显著的表型异常。1.通过T型迷宫，使用嗅觉分辨学习的方法，他们发现突变小鼠的工作记忆能力显著下降。2.突变小鼠学习能力没有显著改变，但是其在学会一个范式之后，进行范式替换学习则有显著的障碍。3.突变小鼠在新物体辨识以及新物体探索能力上都有显著的障碍。以上所有这些发生显著改变的行为都可以通过病毒重表达VMAT2的方法回复正常。

突变小鼠在条件恐惧学习上没有显著的异常。虽然条件恐惧没有显著异常，但是其在开放空间(open field )测试时，穿越中心的概率显著减低。这一情况一般认为小鼠的焦虑程度较高。同时在高架迷宫（elevated plus maze）中， 突变小鼠停留在开放臂中的时长显著降低。这确认了其焦虑水平较高。最后突变小鼠的运动水平没有显著改变：其在开放空间中总体上的运动距离以及运动时长都没有显著的改变。

总结

综合以上的结果，可以发现星型胶质细胞1）可以从细胞外液中摄入并且保存多巴胺；2）可以通过VMAT2将多巴胺运送到内涵体中，并且可以主动释放多巴胺；3）星型胶质细胞中的多巴胺对于PFC中的神经细胞的可塑性及小鼠正常的学习、认知功能是必须的。

北京大学IDG麦戈文脑科学研究所