外周脂质感受器GPR120远程抑制小鼠海马中PGD2-小胶质细胞诱发的神经炎症和神经退行性变

A peripheral lipid sensor GPR120 remotely contributes to suppression of PGD2-microglia-provoked neuroinflammation and neurodegeneration in the mouse hippocampus

作者信息Kensuke Iwasa, Shinji Yamamoto, Kota Yamashina, Nan Yagishita-Kyo, Kei Maruyama, Takeo Awaji, Yoshinori Takei, Akira Hirasawa, Keisuke Yoshikawa
PMID34961526
发布时间2021-12-27
DOI10.1186/s12974-021-02361-2

实验完整度

包含GPR120 KO小鼠模型(体内神经炎症、神经发生、行为学检测)和原代小胶质细胞培养(体外验证PGD2自分泌和GLP-1作用),并有药理学干预(IND、利拉鲁肽、SPM)验证机制。

主要模型

GPR120基因敲除小鼠(C57BL/6J背景) 原代小胶质细胞培养 原代神经元培养 原代星形胶质细胞培养

重点核对

GPR120基因敲除小鼠的基因型确认和遗传背景 PGD2合成酶(H-PGDS)在GPR120 KO海马中的表达上调 外周给予利拉鲁肽(200 mg/kg/天,持续11周)抑制PGD2产生 原代小胶质细胞中PGD2诱导Iba-1表达,且被DP1/DP2拮抗剂阻断

摘要

背景:神经炎症是神经退行性疾病的关键病理组成部分,其特点是小胶质细胞活化和促炎介质的分泌。我们之前报道过,前列腺素D2(PGD2)产生的激增和PGD2诱导的小胶质细胞活化可诱发神经炎症。我们还报道了,一种在肠道中表达的脂质感受器GPR120(游离脂肪酸受体4)可被多不饱和脂肪酸(PUFA)激活,从而介导胰高血糖素样肽-1(GLP-1)的分泌。GPR120功能障碍在小鼠和人类中均导致肥胖。方法:为了揭示PGD2-小胶质细胞诱发的神经炎症与肠道PUFA/GPR120信号传导之间的关系,我们通过基因和蛋白质表达、组织学和行为学分析,研究了GPR120基因敲除(KO)小鼠的神经炎症和神经元功能。结果:在本研究中,我们在GPR120 KO小鼠中发现了显著的神经炎症(PGD2产生增加和小胶质细胞活化)和神经退行性变(神经发生、海马体积和认知功能下降)。我们还发现,造血型前列腺素D合成酶(H-PGDS)在小胶质细胞中表达,小胶质细胞被PGD2激活,H-PGDS在GPR120 KO海马中表达上调,以及抑制PGD2产生可减轻这种神经炎症。GPR120 KO小鼠肠道、血浆和脑内GLP-1含量降低。外周给予GLP-1类似物利拉鲁肽可减轻GPR120 KO小鼠中PGD2-小胶质细胞诱发的神经炎症和进一步的神经退行性变。结论:我们的结果表明,GPR120 KO小鼠的神经表型可能是由肠道GPR120功能障碍引起的。这些观察结果提出了这样一种可能性,即由肠道GPR120刺激的肠道GLP-1分泌可能远程促进抑制海马中PGD2-小胶质细胞诱发的神经炎症。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
肠道PUFA/GPR120信号是否与海马中PGD2-小胶质细胞诱发的神经炎症和神经退行性变有关?
核心机制
肠道GPR120功能障碍导致GLP-1分泌减少,进而引起脑内GLP-1水平下降;低GLP-1生物活性导致小胶质细胞H-PGDS表达增加,PGD2产生增多,通过自分泌方式激活小胶质细胞,诱发神经炎症,并通过下调Nrf2/SOD2和14-3-3ζ途径抑制神经发生,导致神经退行性变。
主要证据
GPR120 KO小鼠表现出海马体积缩小、神经发生标志物(DCX、Ki67)降低、认知功能下降;PGD2产生增加,H-PGDS表达上调;抑制PGD2(IND)或外周给予利拉鲁肽可逆转这些表型;原代小胶质细胞中PGD2激活并被DP拮抗剂阻断,GLP-1降低LPS诱导的PGD2产生和H-PGDS表达。
研究意义
研究首次揭示肠道GPR120信号通过GLP-1远程调控海马神经炎症,为肠-脑轴在神经退行性疾病中的作用提供了新见解,并提示增强GLP-1生物活性(如利拉鲁肽)可能是治疗阿尔茨海默病和2型糖尿病相关认知衰退的潜在策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

验证GPR120在肠道表达及KO小鼠基因型

确认GPR120在肠道中的表达,并验证GPR120 KO小鼠的基因敲除效果。

通过实时PCR检测WT小鼠各组织中GPR120 mRNA表达,包括小肠、结肠、脂肪等;通过基因分型PCR确认GPR120 KO小鼠的基因型。

2

评估海马体积、神经发生和认知功能

检测GPR120 KO小鼠是否表现出神经退行性变,包括海马体积缩小、神经发生减少和认知障碍。

通过Nissl染色计数海马锥体细胞,FJC染色检测神经元死亡;通过免疫荧光检测DCX和Ki67阳性细胞评估神经发生;通过Y迷宫和Morris水迷宫测试评估工作记忆和空间学习记忆。

3

检测海马小胶质细胞活化和PGD2产生

评估GPR120 KO小鼠海马中是否存在小胶质细胞活化和PGD2产生增加。

通过Western blot和免疫荧光检测Iba-1表达和阳性细胞数;通过ELISA检测海马PGD2含量;通过Western blot和qPCR检测PGD2合成酶(COX-1、COX-2、L-PGDS、H-PGDS)的表达。

4

抑制PGD2产生对神经炎症和神经退行性变的影响

验证PGD2产生是否是GPR120 KO小鼠神经炎症和神经退行性变的原因。

给予GPR120 KO小鼠吲哚美辛(IND)抑制COX,从而抑制PGD2产生;检测PGD2含量、Iba-1表达、神经发生标志物、海马体积和突触蛋白。

5

体外验证PGD2对小胶质细胞的自分泌激活

证实PGD2以小胶质细胞自分泌方式促进其活化,并确认小胶质细胞是PGD2的主要来源。

从原代培养中分离小胶质细胞,用PGD2刺激,检测Iba-1表达;预先加入DP1和DP2拮抗剂(MK-0524和OC000459)观察阻断效果;通过qPCR检测不同细胞类型中PGD2合成酶的表达。

6

检测GLP-1水平及GLP-1类似物对神经炎症的影响

确定GPR120 KO小鼠中GLP-1水平的变化,并验证外周补充GLP-1类似物(利拉鲁肽)能否减轻神经炎症和神经退行性变。

ELISA检测肠道、血浆和全脑中的GLP-1含量;在体外,用LPS刺激原代小胶质细胞并加入利拉鲁肽,检测PGD2产生和H-PGDS表达;在体内,通过渗透泵给予GPR120 KO小鼠利拉鲁肽,检测PGD2、H-PGDS、Iba-1、神经发生标志物、海马体积和行为学。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
海人酸Cayman Chemicals78050
吲哚美辛Nacalai tesque19233-51
利拉鲁肽Novo Nordisk2499410G1021
磷酸西格列汀一水合物ApexBioA4036
Fluoro Jade CBiosensisTR-100-FJ
预染蛋白质标记Nacalai tesque02525-35
MK-0524Axon MEDCHEM1480
OC000459Axon MEDCHEM1913
Alzet渗透泵Muromachi--
抗Iba-1抗体Wako019-19741
抗COX-1抗体Santa Cruz Biotechnologysc-19998
抗COX-2抗体Santa Cruz Biotechnologysc-376861
抗L-PGDS抗体Thermo Fisher ScientificPA1-46023
抗H-PGDS抗体Thermo Fisher ScientificPA5-24347
抗DCX抗体Abcamab18723
抗Ki67抗体Novus BiologicalsNB500-170
抗SOD2抗体Cell Signaling Technology13194
抗14-3-3ζ抗体Cell Signaling Technology7413
抗突触素抗体Abcamab32127
抗PSD95抗体BD Biosciences610495
抗Nrf2抗体Proteintech--
抗α-微管蛋白抗体Sigma-AldrichT5168
抗GAPDH抗体MilliporeABS16
低温恒温器(LEICA CM1900)Leica--
Poly-Mount封片剂Polysciences Inc.--
DPX封片剂Merck KGaA--
Envision+系统Dako--
Cy3偶联AffiniPure山羊抗兔IgGJackson ImmunoResearch--
基恩士BZ-X710显微镜Keyence Corporation--
蛋白酶抑制剂混合物CalBiochem--
BCA蛋白定量试剂盒Nacalai tesque--
硝酸纤维素膜Bio-Rad--
Chemi-Lumi One SuperNacalai tesque--
ImmunoStar LDWako--
C-DiGit印迹扫描仪LI-COR--
正己烷/2-丙醇混合液----
SpeedVac浓缩仪Thermo ScientificSPD111V
PGD2 EIA试剂盒Cayman Chemicals--
PGE2 EIA试剂盒Cayman Chemicals--
PGF2α EIA试剂盒Cayman Chemicals--
活性GLP-1 ELISA试剂盒FUJIFILM--
Benchmark酶标仪Bio-Rad--
ISOGEN试剂NIPPON GENE--
PrimeScript RT试剂盒TAKARA BIO INC--
Quant Studio 12 K Flex实时PCR仪Applied Biosystems--
Y迷宫设备Hazai-ya--
Hank's平衡盐溶液Life Technologies--
胰蛋白酶Life Technologies--
脱氧核糖核酸酶IRoche Diagnostics--
70 μm尼龙网BD Falcon--
多聚赖氨酸----
Neurobasal培养基Life Technologies--
B27添加剂Life Technologies--
DMEM培养基----
胎牛血清----
青霉素-链霉素----
脂多糖Sigma--
大鼠重组粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子Pepro Tech--
前列腺素D2Cayman Chemicals--
Graph Pad Prism统计软件Graph Pad Software Inc.--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
基因分型与动物模型
GPR120 KO小鼠的遗传背景;引物序列是否一致;小鼠性别、周龄(16周龄雄性)和饮食(正常饮食)条件。
阅读提示:Methods: Animal procedures
药理学干预
IND给药方式(饲料中0.01%)、时间(11周);利拉鲁肽剂量(200 μg/kg/天)、给药途径(皮下渗透泵)和时间(11周);SPM剂量(50 mg/kg/天)和给药途径(口服)及时间(1周)。
阅读提示:Methods: Pharmacological treatments
PGD2检测
组织样本制备(海马组织);脂质提取方法(HIP);PGD2 EIA试剂盒的使用和测量。
阅读提示:Methods: ELISA analysis
原代小胶质细胞实验
小胶质细胞分离方法(出生后2天小鼠);培养条件(DMEM含10%FBS);PGD2刺激浓度(1 μM)和预处理时间(1小时);DP1/DP2拮抗剂剂量(1 μM);检测Iba-1表达的方法(Western blot)。
阅读提示:Methods: Cell cultures
行为学测试
Y迷宫测试时间(10分钟)和交替率计算;Morris水迷宫平台位置、训练天数(5天)、探针测试时间(300秒)和参数(逃逸潜伏期、穿越平台时间)。
阅读提示:Methods: Behavioral tests
统计分析
样本量(n=5或10);统计检验方法(t检验、单因素或双因素方差分析);显著性水平(p<0.05)。
阅读提示:Methods: Statistics