节食有益于健康 这背后的神经学机制你知道吗?

【字体: 时间:2016年12月06日 来源:生物通

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  最近,来自美国Buck研究所的一项研究,首次在神经元水平上对于“节食的益处”提供了解释,从而对于“节食如何可以带来健康益处”提出了一种可能的机制。12月1日在《Neuron》发表的研究中,研究人员使用果蝇幼虫发现,存在一条分子途径,可响应营养匮乏,并降低神经元和肌肉细胞交界处的突触活动。

  

生物通报道:最近,来自美国Buck研究所的一项研究,首次在神经元水平上对于“节食的益处”提供了解释,从而对于“节食如何可以带来健康益处”提出了一种可能的机制。12月1日在《Neuron》发表的研究中,研究人员使用果蝇幼虫发现,存在一条分子途径,可响应营养匮乏,并降低神经元和肌肉细胞交界处的突触活动。然而,有什么特定效应在突触水平上响应不断变化的养分有效性,之前没有报道过。相关阅读:PLOS:节食如何能延长寿命?Cell子刊:节食为何有利于长寿?节食利于长寿又添新证

本文资深作者、Buck研究所教授Pejmun Haghighi博士说:“一方面,我们的研究结果可能听起来违反常理,因为我们总是认为节食是有益的,在这里我们发现了天然神经活性的阻碍作用。另一方面,我们认为,我们可能找到了‘为什么节食有益’的答案。也许,当营养物不可用时是一件好事情,有机体减少了神经递质的释放,从而节省了它很大比例的整体能量消耗。

此外,Haghighi说,神经传递需要信号传输步骤的连续编排,这种压力可能导致神经元中的损伤积累。他说:“我们的研究结果表明,节食是有益的,原因之一就是,它让神经系统稍作休息并平静下来。”

突触活性的抑制发生在从幼虫食物中去掉营养成分的三小时内。抑制作用很明显,减少了一半的突触活性。本研究的共同作者、Haghighi实验室的博士后Grant Kauwe博士说:“在这么短的时间尺度上,营养素摄入量的变化,可能对神经元活动产生如此戏剧性的影响,这真是惊人的。这证明了节食引发的变化是多么的迅速。”

研究人员一直想知道,在各种各样的物种中热量限制究竟如何延长寿命并减缓与年龄有关的疾病,但目前的研究动力,实际上来自于Haghighi几十年来对于“调节突触上神经递质释放的分子机制”的兴趣。特别是,他专注于一个被称为突触内稳态的现象,这是神经元回路在一定范围内保持活性、以确保稳定和可靠通信的一种方式。

在2012年,Haghighi的研究小组发表了一篇论文显示,突触稳态是由一种酶控制的——雷帕霉素的靶蛋白(TOR),它对于调节多种生物(从酵母到小鼠)的寿命起着至关重要的作用。这一发现在分子水平上解释了“神经系统的功能和寿命调节是如何交织在一起的”。

TOR扮演着许多的角色,但它的一个主要任务是,就像一个扳手一样,松开和拧紧蛋白质合成的开关,以响应营养物(特别是氨基酸)的可用性。虽然以前的证据已经表明,节食影响神经活动和神经递质的释放,但Haghighi意识到,没有研究将TOR调节营养和寿命的已知能力,与TOR在突触稳态中的作用联系起来。

为了确定“养分减少如何影响突触功能”的分子细节,Haghighi的团队将他们的遗传学和分子工具,与影像学和电生理技术结合起来,探究“当他们改变了果蝇幼虫的食物成分时,发生了什么情况”。Kauwe解释说,在最基本的层面上,他们的实验记录了肌肉中神经元的活动。果蝇幼虫神经元和肌肉之间的突触——神经肌肉接头,原来是研究神经系统如何工作的一个很好模型,它可以应用到其他生物,包括人类。

该研究团队首先限制幼虫饮食中的蛋白,因为限制蛋白质已知可降低TOR的活性。令人惊讶的是,他们发现,尽管较低的TOR活性,突触稳态还是受到了饮食限制的影响。然而,短暂的去除食物——被称为急性节食,在几个小时内就能完全抑制突触内稳态。

该研究团队进一步开展实验,探究除了TOR之外还有什么参与了诱发这一抑制作用。他们发现,有另外一种响应来自于转录因子——Forkhead box O(Foxo),这反过来又提高了一个平移调节因子(4E-BP)的转录。此外,TOR和4E-BP之间的平衡控制着突触的稳定性。

稳定性是健康神经元回路的一个标志,这种稳定性的破坏,可能会导致神经退行性疾病,如帕金森氏病、阿尔茨海默氏病、精神分裂症或癫痫。Haghighi说:“我们可能会对节食引发的突触活性抑制的优势,提供一些真正的见解。”例如,节食如何可能有利于癫痫病人,当限制卡路里时,他们能降低癫痫发作。

Haghighi实验室的Kauwe和其他人都在探索,为什么在突触传递的设定点上的这样一个变化发生得如此迅速,以及抑制神经元的活动如何可能有助于治疗、甚至预防神经退行性疾病。Haghighi说:“我想,揭示这一机制是一个重要的基本发现,可能在不久的将来,会为神经退行性疾病设计治疗方法,带来最实际的方法。”

(生物通:王英)

生物通推荐原文摘要:
Acute Fasting Regulates Retrograde Synaptic Enhancement through a 4E-BP-Dependent Mechanism
Summary:While beneficial effects of fasting on organismal function and health are well appreciated, we know little about the molecular details of how fasting influences synaptic function and plasticity. Our genetic and electrophysiological experiments demonstrate that acute fasting blocks retrograde synaptic enhancement that is normally triggered as a result of reduction in postsynaptic receptor function at the Drosophila larval neuromuscular junction (NMJ). This negative regulation critically depends on transcriptional enhancement of eukaryotic initiation factor 4E binding protein (4E-BP) under the control of the transcription factor Forkhead box O (Foxo). Furthermore, our findings indicate that postsynaptic 4E-BP exerts a constitutive negative input, which is counteracted by a positive regulatory input from the Target of Rapamycin (TOR). This combinatorial retrograde signaling plays a key role in regulating synaptic strength. Our results provide a mechanistic insight into how cellular stress and nutritional scarcity could acutely influence synaptic homeostasis and functional stability in neural circuits.

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