神經炎症的微調對大腦穩態和免疫反應都至關重要
在炎症過程中，核因子-κ-B(nuclear factor-κ-B，NFκB)在細胞對各種刺激的響應中發揮重要作用。與之對應的，當糖皮質激素受體(glucocorticoid receptors，GRs)與糖皮質激素(glucocorticoids，GCs)結合時，它們發揮重要的免疫抑制和抗炎作用，並且透過GR拮抗NFκB的促炎作用。因此作者推測，由於NFκB和GR間的互作導致的GR活性的功能失調可能誘發抑鬱症。然而，目前基於技術的限制，我們對兩者的相互作用理解還不清楚。
2021年1月22日，韓國基礎科學研究所的Young-Min Han等透過外源性給予脂多糖（LPS）誘導小鼠抑鬱行為，並使用一種改進的基於慢病毒的報告基因闡明瞭NFκB和GR活性在抑鬱行為不同階段的時間特徵。
作者將下邊緣前額皮質(infralimbic prefrontal cortex，IL-PFC，對應於人類腹內側PFC)作為與抑鬱症相關的代表性大腦區域。真皮組織作為一個代表性的身體區域，因為免疫系統在各個方面都積極地維持面板穩態。此外，研究人員使用LPS誘導小鼠抑鬱模型，該模型短期內表現出時間依賴性行為，如疾病的早期症狀和後期短暫的抑鬱樣行為。
NFκB活性的變化為其訊號轉導參與疾病早期、正常期和抑鬱樣期三個階段奠定了分子基礎。在正常期和抑鬱樣期，腦GR活動的變化不同程度地參與NFκB訊號的轉換。中期GR以糖皮質激素依賴的方式有效抑制NFκB，而晚期GR則無抑制作用。此外，作者還揭示了基礎GR活性在早期NFκB訊號轉換中的潛在作用：透過RU486阻斷GR活性導致大腦NFκB表達增加，從而導致疾病早期抑鬱樣行為發生。
主要研究內容目前針對於NFκB-GR的靶向轉錄本研究中，由於它們的基因啟動子的不同結構導致基因表達混亂，以至於這種確切的互作機制仍未被研究透徹。另外，終點分析（endpoint analysis）引起的個體變異是干擾研究的另一個障礙。因此，作者沒有試圖研究NFκB-GR的轉錄特性，而是將重點放在了利用體內成像技術對NFκB-GR訊號相互作用的縱向監測上。
1.真皮和IL-PFC中NFκB活性的觀察
為了監測NFκB的體內活性，首先，作者用6×NFκB-TATA DNA片段取代之前的慢病毒GR-Luc報告基因的5×GRE-AIEP，並命名為NFκB-luc報告基因。然而，在透過生物熒光訊號影象(bioluminescent signal image，BLI)監測NFκB活性時，發現報告基因不足以監測IL-PFC或真皮中的NFκB啟用。因此，作者開發了一種改進的NFκB-Luc2CP報告基因，用Luc2CP取代Luc，以獲得更高的時間解析度和更強的熒光強度。
用這種改進的報告基因監測NFκB活性，發現給予LPS後2小時真皮細胞NFκB啟用明顯；但IL-PFC中仍未發現NFκB啟用。為了排除個體內變異可能造成的誤差，在給予LPS後36小時內對同一受試小鼠的IL-PFC和真皮進行了NFκB雙監測試驗，發現了兩種組織內差異性的NFκB啟用，尤其是在LPS處理後2小時，真皮NFκB活性出現明顯峰值，但IL-PFC無活性。同時，在LPS作用後的8-12 h, IL-PFC和真皮中NFκB均被啟用，但無顯著差異。IL-PFC組織免疫組化(IHC)分析顯示，啟用的小膠質細胞在晚期也顯著增加。
接著在指定的時間點分別進行曠場實驗(OFT)和強迫游泳實驗(FST)，以闡明抑鬱樣行為與訊號活動的聯絡。LPS刺激誘導的時間依賴性行為結果顯示，在LPS刺激後1-6小時內OFT總移動距離(TDM)增加，在LPS刺激後10-12小時內FST不動時間減少。時間依賴性的行為結果似乎與NFκB啟用以一種組織特異性的方式相關。比較軌跡圖顯示，真皮中NFκB啟用與TDM增加的早期行為相關。相比之下，IL-PFC 中NFκB啟用與FST不動時間減少的晚期行為相關。
圖1 IL-PFC和真皮中NFκB的不同響應
2.GR對NFκB活性抑制不同時間點的表現
接下來，作者使用RE-Luc2CP報告基因對GR活動進行了雙重監測。與NFκB啟用的差異不同，在所有時間點中IL-PFC和真皮之間相比，GR啟用沒有差異，但在中後期觀察到顯著的GR啟用。在真皮NFκB的軌跡中，可以注意到在中期出現了中斷，與之對應，GR在中期的軌跡與NFκB相反，提示中期GR與高水平GC結合後啟用，在調節過度炎症反應中起關鍵作用。相反，後期GR似乎沒有抑制作用，這可以從GR和NFκB的相似軌跡以及隨後的抑鬱樣行為得到證明。
圖2 GR參與了NFκB活性的抑制
在LPS處理前，先使用RU486阻斷基礎GR活性，以確定低GR活性是否足以抑制IL-PFC中的NFκB活性。結果顯示，與對照組相比，RU486處理組的GR活性在前期顯著降低，而NFκB活性則顯著升高。在早期和晚期也觀察到抑鬱樣行為的出現。從LPS對後期GR活性的影響可以看出，RU486清除後GR啟用的反彈似乎是由細胞因子引起的。
圖3 RU486誘導早期腦NFκB啟用及相應的抑鬱樣行為
3.GR介導NFκB訊號通路的轉導作用
為了解GR在中期對NFκB的抑制作用，採用PCR方法研究已知抑制NFκB訊號通路的8個GR特異性基因與32個NFκB應答基因之間的的負相關係數。如下圖中相關係數顯示，編碼ANXA1(24.17%)和IκBα(39.27%)的兩個GR特異性基因大多呈負相關。10個時間點的延時熱圖也顯示，ANXA1和IκBα主要呈負相關。但負相關性在所有時期都普遍存在。然而，在對四個週期的另一項分析中，與7個NFκB應答基因的負相關係數主要發現在中期。這些負相關在中期大多被RU486處理轉化為正相關(下圖d)。
這些結果表明，ANXA1和IκBα這兩種GR特異性基因，在軀體-大腦炎症擴散過程中透過抑制NFκB參與保護抑鬱樣行為。
綜上所述，作者認為GR對NFκB的抑制作用在軀體-大腦炎症擴散過程中隨時間而改變。
圖4 透過qPCR法對NFκB-GR相互作用的轉錄分析
結論本研究首次監測體內瞬時NFκB和GR活性，以解釋在軀體-大腦炎症擴散過程中，GR如何透過基礎的以及啟用的下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸對NFκB發揮抑制作用，闡明瞭HPA軸作為炎症相關抑鬱症起源的作用。這一發現可以幫助我們瞭解HPA軸功能失調如何引起藥物抵抗性抑鬱症的發生，從而指導治療。此類體內訊號轉換分析方式也提供了一個技術框架來闡明訊號通路的異常如何導致各種精神疾病發生，同時也為COVID-19感染等引起的系統性炎症導致抑鬱症的分子機制提供了新見解。
參考文獻
Han, YM., Kim, M.S., Jo, J. et al. Decoding the temporal nature of brain GR activity in the NFκB signal transition leading to depressive-like behavior. Mol Psychiatry (2021).
編譯：Sheena（brainnews創作團隊）
校審：冰山一角/VAN（brainnews編輯部）