Nat Commun丨AD中VTA多巴胺神经元过度兴奋的机制

阿尔茨海默病（AD）患者表现出超出经典认知缺陷的神经精神症状，提示可能存在皮层下区域的参与。

基于此，2024年11月8日美国俄克拉荷马医学研究基金会Michael J. Beckstead研究团队在Nature communications杂志发表了“VTA dopamine neurons are hyperexcitable in 3xTg-AD mice due to casein kinase 2-dependent SK channel dysfunction”揭示了VTA多巴胺神经元在3xTg-AD小鼠中因酪蛋白激酶2依赖的SK通道功能障碍而过度兴奋。

作者使用淀粉样蛋白加tau驱动的3xTg-AD小鼠模型研究了中脑多巴胺（DA）神经元在AD中的作用。发现AD小鼠在基于奖励的操作性学习中存在缺陷，这表明可能存在VTA DA神经元的失调。生理评估揭示了由于小电导钙激活钾（SK）通道活性降低，DA神经元过度兴奋和放电模式被破坏。RNA测序发现SK通道调节剂酪蛋白激酶2（CK2）上调，药理学抑制CK2恢复了3xTg-AD小鼠的SK通道活性和正常的放电模式。这些发现揭示了AD中神经精神症状和皮质下回路之间复杂的相互作用。

图一 3xTg-AD小鼠的强化学习能力受损

3xTg小鼠携带人类淀粉样前体蛋白突变体APPSwe、tauP301L和PS1M146V的纯合转基因，这些基因都与家族性神经退行性疾病有关。这些小鼠会以一种固定模式积累细胞外的β-淀粉样蛋白（Aβ）和细胞内过度磷酸化tau。认知学习缺陷在3xTg小鼠中从4到6个月时开始出现。在3xTg海马体中，6月龄时可以观察到Aβ斑块，而12月龄时可以检测到过度磷酸化的tau。自主操作摄取美味食物颗粒（Operant Self-Administration of Palatable Food Pellets）用于研究动物对奖励性食物的寻求和消费行为，通常包含两个杠杆（一个活动杠杆和一个非活动杠杆）和一个食物分配器。通常是高糖或高脂的食物颗粒，对动物具有吸引力。该范式常用于研究成瘾、奖赏系统以及饮食行为。作者评估了非食物限制的3月、6月和12月龄的3xTg和WT小鼠获得操作任务的能力，在三个年龄测试的所有WT小鼠都成功地获得了操作任务。然而，6月和12月龄的3xTg小鼠表现出学习任务的速度较慢，一些小鼠根本无法学习任务。此外，3xTg小鼠还更多地在运动区域的中心花费时间，这可能表明探索行为的增加或焦虑行为的减少。

图二 3xTg多巴胺神经元表现出放电率增加和不规律性

虽然多巴胺的释放可以独立于体细胞活动发生，但多巴胺神经元内在生理特性的改变足以影响强化学习。为了研究VTA多巴胺神经元在一生中的生理特性以及对淀粉样蛋白和tau蛋白表达的反应，作者在3月、6月、12月和18月龄的WT和3xTg小鼠的脑片中进行了膜片钳记录，观察到3xTg小鼠与同龄对照组相比自发放电频率增加，3xTg小鼠还显示出较低的放电节律性。在SNc中，作者也检测到12月龄的3xTg小鼠的自发放电率或ISI的CV没有变化。此外，3xTg小鼠的诱发放电与WT小鼠相似。3xTg小鼠的DA神经元的平均中等后超极化（mAHP）电压去极化，mAHP主要由动作电位介导的钙离子流入和随后的SK通道激活控制。

图三 Patch-seq分析表明Csnk2a1 转录上调

作者将膜片钳电生理学与单细胞转录组学（Patch-seq）结合以识别内源性SK通道相互作用蛋白。从12月龄的WT和3xTg小鼠进行膜片钳记录观察到3xTg小鼠中SK电流减少。427个差异表达基因（DEGs），大多数上调（3xTg中比WT高376个，低51个）。编码CK2的Csnk2a1和CK2直接磷酸化靶标Nucks1都明显上调。编码线粒体解耦蛋白5的Slc25a14上调，而编码NAc相关蛋白2的Nacc2显著下调。为了确认Csnk2a1转录本的变化与蛋白水平相关，作者在VTA中对CK2、磷酸化钙调蛋白（pCaM）和SK3通道进行了脑片免疫荧光。3xTg VTA DA神经元中SK3蛋白表达增加，这表明SK通道表达本身并不是3xTg小鼠SK功能失调的潜在机制。

总结

深入理解SK通道在多巴胺神经元中的作用有助于揭示多巴胺系统在正常生理和病理条件下的调控机制。SK通道的功能障碍与多种神经系统疾病（如药物成瘾、帕金森病和阿尔茨海默病）的病理机制有关，SK通道及其相关信号通路可能成为新的治疗靶点，为开发新的治疗方法提供潜在的方向。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53891-1

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