综述：从细胞身份到功能：揭示下丘脑摄食回路的细胞复杂性

《REVIEWS IN ENDOCRINE & METABOLIC DISORDERS》：From identity to function: unveiling the cellular complexity of hypothalamic feeding circuits

本综述系统梳理了单细胞技术如何革新下丘脑研究。作者重点阐述了高分辨率细胞图谱（如HypoMap）及空间转录组技术（如MERFISH、Visium）在解析小鼠、猕猴和人类下丘脑细胞异质性方面的突破，揭示了物种间关键差异（如人类POMC神经元共表达LEPR和GLP1R）。文章进一步结合功能研究（如光遗传学、化学遗传学），探讨了AgRP、POMC、BDNF等神经元在摄食行为、能量稳态中的复杂调控网络及在肥胖（Obesity）等代谢疾病中的意义，为靶点发现提供了新视角。

2 Methods to characterize hypothalamic cell types

要理解下丘脑如何调控摄食等基本生命活动，首先需要解析其复杂的细胞组成。近年来，高通量技术的涌现为此提供了强大工具。这些方法大致可分为三类：细胞定位、单细胞“组学”和空间转录组学。

细胞定位技术旨在揭示细胞在三维空间中的分布和连接。组织透明化与全脑成像技术相结合，使得在完整大脑中可视化特定分子标记成为可能。单神经元投射组学则绘制了单个神经元的全脑轴突投射路径。例如，对7180个小鼠下丘脑肽能神经元的分析发现，其轴突投射模式可被分为31种不同类型，其中AgRP神经元主要投射至下丘脑内部如室旁核（PVN），而POMC神经元则有大量投射至中脑、脑桥和延髓。分子连接组学方法如RAMPANT，则能识别与特定神经元（如AgRP神经元）形成突触连接的上游神经元类型，甚至发现了对GLP-1受体激动剂利拉鲁肽有反应的新型抑制性神经元。

单细胞“组学”技术则从分子层面定义细胞身份。单细胞转录组学（scRNA-seq）是其中的主力，例如HypoMap图谱整合了38万多个小鼠下丘脑细胞，揭示了465个不同的细胞簇，彰显了其巨大的细胞多样性。尽管单细胞蛋白质组学和表观基因组学在下丘脑的应用尚处初期，但它们能提供RNA表达水平无法反映的功能性差异和调控信息，是未来图谱构建的重要补充。

空间转录组学的崛起弥补了单细胞技术丢失空间位置的不足。这类技术可分为基于成像（如MERFISH, Xenium）和基于测序（如Visium, Slide-seq）两大类，能够在不破坏组织结构的条件下测量基因表达。它们已被应用于构建小鼠、猕猴和人类下丘脑的空间图谱，为了解细胞类型的空间组织及其在发育、衰老和疾病（如肥胖、糖尿病）中的变化提供了前所未有的视角。

3 Building a three-dimensional multiomic hypothalamus atlas

利用上述技术，研究人员已开始构建三维多组学下丘脑图谱，特别是在非人灵长类和人类中，这些模型与人类的临床相关性更高。

最近发表的猕猴下丘脑单细胞空间图谱包含了46万多个细胞，揭示了48个不同的神经元亚群。空间转录组数据表明，许多细胞类型在不同脑区有独特分布。该图谱还比较了肥胖和2型糖尿病猕猴与对照组的差异，发现疾病状态下神经元亚型的比例相对稳定，但非神经元细胞（如小胶质细胞、伸展细胞）的比例有适度变化，并且在下丘脑的多个核团（如INF、PVN）引发了显著的基因表达改变，这些变化具有核团特异性。

我们团队近期发布了人类下丘脑的综合空间细胞图谱，包含了43万多个细胞，并被注释为452个独特的细胞簇。通过与我们之前的小鼠HypoMap图谱比较，发现了重要的物种差异。例如，在参与摄食调控的关键G蛋白偶联受体（GPCR）表达上存在显著不同：人类POMC神经元共同表达瘦素受体（LEPR）和GLP-1受体（GLP1R），而小鼠的Lepr和Glp1r则分别标记转录和功能上截然不同的POMC神经元亚群。

4 Methods to characterize hypothalamic function

图谱绘制了细胞的“身份”，而功能实验则旨在揭示这些细胞的“作用”。细胞模型和动物模型是进行功能研究的两大支柱。

细胞模型，特别是干细胞分化的下丘脑样细胞和类器官，非常适合进行遗传扰动和疾病建模。它们可用于研究特定基因（如m6A RNA修饰相关基因METTL14和YTHDC1）敲低对神经元分化的影响，也可用于验证全基因组关联分析（GWAS）发现的肥胖相关基因变异（如BSN和FAIM2位点）的功能。此外，利用罕见遗传性肥胖综合征（如Bardet-Biedl综合征、Prader-Willi综合征）患者来源的诱导多能干细胞（iPSC）分化的下丘脑神经元，可以模拟疾病表型，揭示发病机制。

动物模型则能让我们在活体复杂环境中研究细胞功能。通过操纵饮食（如母体高脂饮食）、利用化学遗传学/光遗传学特异性调控特定神经元活性、记录神经元活动（如光纤光度记录）、或进行全脑c-Fos成像以观察药物（如GLP-1受体激动剂司美格鲁肽）的激活模式，研究人员取得了许多关键发现。例如，研究发现下丘脑腹内侧核（VMH）的脑源性神经营养因子（BDNF）神经元构成一个简单的回路，接收来自弓状核（ARC）AgRP和POMC神经元的信号，并投射至脑干运动前区，直接调控摄食的 consummatory behavior（摄取行为）。另一项研究揭示了AgRP神经元激活和POMC神经元抑制对摄食和胰岛素敏感性具有叠加或独立的调控作用。此外，研究还利用单细胞转录组学发现了新的细胞类型，如ARC中表达Bnc2和Lepr的抑制性GABA能神经元，它们能被瘦素激活，并快速抑制食欲。前向遗传学筛选则发现了新的摄食调控基因，如Gpr75和Gpr45，它们通过影响G蛋白（Gα_q, Gα_s）信号通路和初级纤胺定位来调控体重。在非人灵长类动物中的研究则首次明确证明了下丘脑GABA能神经元在驱动自然目标导向进食行为中的作用。

5 Conclusions

总之，单细胞及空间多组学技术的成熟，结合精细的功能验证，正在以前所未有的深度揭示下丘脑的细胞复杂性和功能机制。构建更多模型生物、涵盖不同种族、年龄和疾病状态的人类下丘脑多组学图谱，并进行深入的跨物种比较，将是未来理解人类能量稳态调控和开发肥胖等代谢性疾病新疗法的关键。