罗冬根课题组在《自然通讯》发文揭示生物钟与光照同步化的神经机制

 

       该研究重构出了光调控生物钟的神经环路,找到了介导生物钟与光同步化的关键脑区:该脑区的损毁导致生物钟对光的电反应消失;视觉信息在该脑区通过星状拓扑的神经环路平行地传递到各个时钟神经元,实现生物钟与环境光照高效且准确的同步化。

 

      北京大学生命科学学院、IDG麦戈文脑研究所、定量生物学中心、生命科学联合中心罗冬根课题组10月12日在自然通讯(Nature Communications)发表题为“Hub-organized parallel circuits of central circadian pacemaker neurons for visual photoentrainment in Drosophila”的文章,通过多电极等膜片钳电生理方法系统研究了果蝇生物钟所有时钟神经元对光的反应特征,结合光遗传学、单细胞标记和突触示踪等技术重构出了生物钟和视觉系统的环路连接,揭示了生物钟与光照同步化的环路机制。该研究对于理解睡眠/觉醒等昼夜节律的调控具有指导意义。

  

  生物钟存在于各种生物体,其分子机制在果蝇和哺乳动物中高度保守;它的一个重要特征是能被环境光照调节,从而让个体的生理和行为与昼夜变化同步(如大家熟悉的时差调整)。虽然生物钟的分子机制已有深入研究(果蝇生物钟的研究获2017年诺贝尔生理或医学奖),但其与光照同步化的环路机制(及其调控生理和行为的神经机制)尚不清楚。过去几十年,生物钟被普遍认为是通过串行神经环路实现与光照的同步化。例如,哺乳动物主时钟(视交叉上核)的腹部时钟神经元和果蝇脑中的腹侧时钟神经元被认为是先接受眼睛的视觉信号。这些时钟神经元将视觉信息传递到其它时钟神经元,实现生物钟与光照的同步化。

  

  罗冬根课题组利用了果蝇的遗传学优势,并发展了果蝇时钟神经元的多电极膜片钳电生理记录方法,解析了生物钟与光照同步化的机制。作者利用遗传学方法将不同亚群的时钟神经元失活后,发现光照依然可有效地同步化果蝇的昼夜节律。该结果提示生物钟利用平行神经环路与光照同步化。为了进一步探究生物钟与光照同步化的环路机制,作者发展了一种保留完整眼结构的大脑标本,利用膜片钳记录发现果蝇大脑的150个时钟神经元中的多数亚群都能被光照所兴奋,且各自的光反应不依赖于彼此。接着,利用记录电极对时钟神经元进行单细胞荧光标记,作者实现了整个生物钟在单细胞水平上的神经结构解析,发现对光照有反应的时钟神经元将各自的树突伸到副髓质(accessary medulla, aMe)。作者利用激光特异损毁该脑区,发现时钟神经元对光的反应完全消失。由此得到一重要结论:生物钟时钟神经元从副髓质平行地接收视觉信号。

  

图注:果蝇生物钟与光照同步化的HUB神经环路

  

  利用神经元示踪技术,光遗传和化学遗传等方法,他们进一步鉴定了两条从眼睛传递视觉信号到副髓质的独立神经环路:Hofbauer-Buchner小眼将其轴突投射到副髓质与各个时钟神经元形成单突触连接;鉴定了一种新的视觉中间神经元,发现该神经元接收复眼的视觉信号,并在副髓质处通过单突触把视觉信号传给时钟神经元。

  

  这些结果揭示了果蝇生物钟与光照同步化的平行神经环路机制(如图所示);该环路使生物钟非常高效、精准、且可靠(抗干扰)地与环境光照同步化。已有研究提示类似的平行环路也存在于哺乳动物,即生物钟的平行环路是一种保守的机制。

  

  罗冬根研究员为本文的通讯作者;博士生李梦彤(13级PTN)和曹丽慧博士为该文的共同第一作者;博士生晓娜(16级定量生物学中心)和博士生唐敏(16级PTN)为本文做出重要贡献。这工作获得国家自然基金委、膜国家重点实验室和生命科学联合中心的支持。