中科大在《CELL》上發(fā)文揭示參與日光照射改善學(xué)習(xí)記憶的腦內(nèi)谷氨酸代謝新通路及相關(guān)神經(jīng)環(huán)路機(jī)制
中科大化學(xué)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心的黃光明教授研究組與生命科學(xué)學(xué)院神經(jīng)退行性疾病研究中心、中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心的熊偉教授研究組合作，通過(guò)單細(xì)胞質(zhì)譜、光遺傳、電生理膜片鉗及動(dòng)物行為學(xué)等技術(shù)方法，揭示了一條腦內(nèi)谷氨酸代謝新通路及其參與日光照射改善學(xué)習(xí)記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。該研究成果于2018年5月17日在線發(fā)表在國(guó)際著名期刊《細(xì)胞》（CELL）上(https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.04.014)。
眾所周知，適度的陽(yáng)光照射對(duì)人體有很多好處，包括維生素D的合成以及多種皮膚疾病的治療等。此外，人們還發(fā)現(xiàn)陽(yáng)光照射對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)也有一定程度的影響，例如適度的日光照射可以改善人們的情緒和認(rèn)知。然而，由于研究手段的局限，對(duì)日光照射引起與神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)的行為變化的深層機(jī)制目前并不清楚。而日光照射皮膚最終如何影響腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞的代謝以及神經(jīng)環(huán)路的功能也一直是個(gè)未解之謎。
黃光明教授及熊偉教授研究團(tuán)隊(duì)，利用自主研發(fā)的單細(xì)胞質(zhì)譜技術(shù)，結(jié)合神經(jīng)科學(xué)的多種研究手段，發(fā)現(xiàn)日光照射動(dòng)物皮膚后會(huì)使得血液里一種叫做UCA（Urocanic Acid）的化學(xué)物質(zhì)含量大幅度增加。隨后他們發(fā)現(xiàn)，增加的UCA可以透過(guò)血腦屏障進(jìn)入大腦神經(jīng)細(xì)胞，在細(xì)胞內(nèi)UCA通過(guò)一系列的生物代謝酶最終轉(zhuǎn)化成谷氨酸。細(xì)胞內(nèi)的谷氨酸在運(yùn)動(dòng)皮層以及海馬的神經(jīng)末梢釋放，進(jìn)而激活運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)以及記憶相關(guān)的腦內(nèi)神經(jīng)環(huán)路，從而增強(qiáng)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力以及物體識(shí)別記憶能力。這是自70-80年代之后，再度發(fā)現(xiàn)新的腦內(nèi)谷氨酸生物合成通路。由于谷氨酸在大腦內(nèi)具有參與細(xì)胞內(nèi)蛋白合成、能量代謝以及興奮性神經(jīng)信號(hào)傳遞等多種重要的生理功能，因此，該腦內(nèi)谷氨酸生物合成的新通路的發(fā)現(xiàn)對(duì)于了解大腦工作機(jī)理以及探索相關(guān)疾病發(fā)生機(jī)制都將起到非常重要的作用。
黃光明教授及熊偉教授研究團(tuán)隊(duì)在單細(xì)胞質(zhì)譜/電生理分析方面開展了長(zhǎng)期的緊密合作，分別開發(fā)了能用于復(fù)雜樣品的原位質(zhì)譜分析方法，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的直接分析（Angew. Chem. Int. Ed. 2011,2011; Anal. Chem. 2016, 2018,），以及通過(guò)電生理膜片鉗技術(shù)開展了對(duì)小鼠腦內(nèi)單個(gè)神經(jīng)元的功能鑒定與解析（Nat. Chem. Biol., 2011;J. Exp. Med., 2012; Nat. Neurosci., 2014）。研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)了擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單細(xì)胞質(zhì)譜技術(shù)（PNAS，2017），以上研究為本項(xiàng)目的完成提供了重要的工作基礎(chǔ)。
圖注：日光照射改善人類情緒、學(xué)習(xí)和記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機(jī)制
中科大化學(xué)院與生命學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士后朱洪影以及生命學(xué)院博士研究生王寧為該論文的共同第一作者。熊偉教授與黃光明教授為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了基金委、科技部、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)等資助。該工作還得到中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)同步輻射實(shí)驗(yàn)室光電離質(zhì)譜線站的儀器與技術(shù)支持。
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