大腦下丘腦區域發展出了一個復雜的神經調節網絡，用于協調食物攝入和能量平衡的控制。這個系統能夠感知體內儲存的能量量，并相應地調整食物攝入和能量消耗，使體重和體溫在一段時間內保持相對恒定。在負能量平衡條件下，通過下丘腦回路啟動了一系列行動，開啟了節能途徑，從而減少了能量消耗。同樣，覓食和食物攝入途徑也被強烈刺激。這些過程的首要調節器是下丘腦中的神經肽Y（NPY）神經元。特別是，ARC（弓狀核）中的NPY在負能量平衡下會顯著上調，并且長期向ARC注射NPY，結合自由進食，會導致食物攝入量大增和能量消耗減少，最終導致肥胖的發展。在正能量平衡條件下，ARC中的NPY水平降低，但奇怪的是，這些較低量的NPY似乎仍能驅動進食，原因尚不明了。
澳大利亞圣文森特醫院加文醫學研究所的專家們在這一領域取得了較大進展。他們提出，在能量過剩的條件下，當ARC中的NPY水平通常下降時，POMC神經元上的高親和力NPY2R受體仍能驅動食物攝入并通過主要從Agrp陰性NPY神經元釋放的NPY增強肥胖的發展。研究成果以“Agrp-negative arcuate NPY neurons drive feeding under positive energy balance via altering leptin responsiveness in POMC neurons”為題，發表在Cell Communications（IF：31.373）上。
1.下丘腦弓狀核（ARC）中神經肽Y神經元中Agrp陰性的比例
研究使用了Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠，這是一種獨特的小鼠模型，以確保僅從AGRP神經元中刪除了Npy。在對這些小鼠進行染色質基因法和熒光RNAScope法的檢查中，研究者觀察到在控制組中（Agrpcre/+;Npylox/+小鼠）的ARC中存在大量NPY/AGRP神經元，其中一部分NPY陽性神經元卻不表達Agrp。更為關鍵的是，Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠的ARC中仍存在Npy陽性神經元，但這些神經元不表達Agrp mRNA，驗證了它們是一群與Agrp無關的獨立的NPY神經元。為了量化這一Agrp陰性的NPY神經元群體相對于總NPY神經元的比例，研究者使用了放射性探針對小鼠ARC進行了原位雜交。結果顯示，在Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠中，ARC中的Npy mRNA水平僅為Agrpcre/+;Npylox/+小鼠的20%左右。此外，當小鼠經歷24小時禁食后，Agrpcre/+;Npylox/lox和Agrpcre/+;Npylox/+小鼠的ARC中Npy mRNA表達均顯著增加，但Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠的增加百分比明顯高于Agrpcre/+;Npylox/+小鼠，這表明Agrp陰性的NPY神經元對能量不足的響應更為強烈。
2.能量狀態的變化不同地改變了Agrp-陽性與Agrp-陰性NPY神經元的平移輪廓
這項研究通過使用TRAP技術，探究了下丘腦弓狀核（ARC）中Agrp陽性和Agrp陰性的NPY神經元在禁食和不同能量平衡條件下的蛋白質合成差異。研究者利用Npycre/+和Agrpcre/+小鼠與(Rosa26lSlrSrEGFPL10a)小鼠交叉，生成了NpyCre/+;ROSA26lSlrSrEGFPL10a小鼠（簡稱為NpyTRAP）和AgrpCre/+;ROSA26lSlrS-rEGFPL10a小鼠（簡稱為AgrpTRAP）。在進行為期24小時的禁食后，使用TRAP-seq技術對這兩個小鼠模型中的NPY神經元進行核糖體結合RNA的分析，并與自由攝食條件下的NpyTRAP小鼠進行比較。
研究發現，禁食導致NPY和AGRP兩個群體中1,532個基因發生顯著改變，其中Npy mRNA的活躍轉錄在兩個群體中均顯著上調，而Agrp mRNA的活躍轉錄僅在AGRP群體中上調。有趣的是，在這些基因中，只有4%在兩個群體中呈相同的變化趨勢，突顯了Agrp陽性和Agrp陰性的NPY神經元在ARC中的多樣性。另外，有8%的基因在總體NPY群體中顯著上調或下調，但在AGRP群體中未發生改變，這可能代表了Agrp陰性的NPY神經元的特定基因。
研究進一步通過分子技術驗證了Agrp陰性的NPY神經元中與食物攝入相關的基因（如Gaa和Timp2）的顯著上調。在不同能量平衡條件下，研究者觀察到Agrp陰性和Agrp陽性的NPY神經元對細胞表面受體的翻譯水平有不同的響應，特別是在正能量平衡條件下，Agrp陰性NPY神經元中NPY的活躍轉錄水平顯著上調，同時Lepr（瘦素受體）的表達水平下調，表明Agrp陰性的NPY神經元可能在正能量平衡條件下更為活躍，從而促進由這些神經元釋放的NPY引發的進食行為。
3.Agrp陰性NPY神經元能夠推動食物攝入
研究者使用了一種新的激活型DREADD載體（AAV-hSyn-CreonFlpoff-hM3Dq-EYFP），注入到Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的弓狀核（ARC）中。該載體只在Agrp陰性的NPY神經元中表達，經過CNO處理后，通過免疫組化評估了黃色熒光蛋白（YFP）和Fos的共染色，證實了其正確注射和功能激活。在正常攝食條件下，CNO刺激Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的ARC，顯示了與生理鹽水相比稍微增加的進食趨勢。然而，在禁食條件下，CNO刺激導致Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的食物攝入顯著增加。有趣的是，在高脂飲食條件下，CNO處理的小鼠顯示了明顯增加的食物攝入，尤其是在禁食后，表現出更大的食欲增加。這表明Agrp陰性的NPY神經元對正能量平衡條件下的食物攝入有更強烈的反應。相反，在空載體注射的對照小鼠中，CNO處理對食物攝入沒有顯著影響。對于能量消耗方面，CNO刺激未影響正常攝食條件下Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的能量消耗。然而，在禁食后的再飲食條件下，能量消耗顯著增加。在高脂飲食條件下，CNO刺激表現出能量消耗的趨勢性增加，而在禁食后的再飲食條件下則沒有明顯改變。在運動活動方面，CNO處理僅在高脂飲食條件下表現出輕微增加的趨勢，而在其他條件下沒有明顯效應。
4.Agrp陰性NPY神經元主要投射到ARC POMC神經元
通過使用表達光敏通道蛋白（ChR2）的病毒載體，研究人員發現Agrp正性NPY神經元廣泛分布于下丘腦以及其他額外的下游神經核，而Agrp負性NPY神經元具有更為局部的投射模式，主要集中在下丘腦弓狀核（ARC）附近。這種局部的投射模式表明Agrp負性NPY神經元可能主要與附近的神經群體發生相互作用，特別是與POMC神經元的相互作用引起了研究者的關注。免疫組化和分子分析證實，Agrp負性NPY神經元與ARC中表達POMC的神經元之間存在廣泛的聯系。為了在功能上驗證這一相互作用，研究者使用了一種刺激性的DREADD載體，以選擇性地激活Agrp負性NPY神經元。激活這些神經元后，研究發現它們能夠影響POMC神經元中cAMP響應元件結合蛋白（CREB）的磷酸化。具體而言，通過使用forskolin誘導提高cAMP水平，POMC神經元的pCREB活性顯著增加，當同時激活Agrp負性NPY神經元時，這種增加顯著降低。進一步的實驗中，使用選擇性拮抗劑顯示，NPY2R受體而非NPY1R在介導Agrp負性NPY神經元來源的NPY對POMC神經元信號傳導的影響中起主導作用。這一發現表明Agrp負性NPY神經元通過NPY2R受體信號傳導直接而特異地影響POMC神經元的活性。
5.Npy2r的表達在肥胖條件下被上調，特別是在POMC神經元中
研究采用了TRAP-seq技術（Translating Ribosome Affinity Purification and RNA sequencing），通過這一方法能夠選擇性地分離和研究Agrp-negative NPY神經元的轉錄水平。研究發現，在POMC神經元中，Npy2r mRNA的活躍轉錄在不同能量狀態下表現出明顯的變化。在能量過剩條件下，Npy2r mRNA的活躍轉錄顯著上調，而這種上調在HFD（高脂飲食）條件下更為顯著。與Npy2r相似，Lepr（瘦素受體）的轉錄水平也在HFD條件下顯著上調。研究還發現這種變化可能與肥胖相關，因為與肥胖相關的小鼠模型以及HFD喂養的小鼠均顯示出POMC神經元中Npy2r mRNA的適應性上調。這些發現表明Npy2r在POMC神經元中的表達水平對于能量平衡和肥胖的調控可能具有重要作用。
6.POMC神經元中缺乏Npy2r導致食物攝入量和脂肪量減少
作者通過創建PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠模型，探究了NPY2R信號在POMC神經元中對能量平衡的功能貢獻。結果顯示，在標準飼料和高脂飲食條件下，雄性PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠在體重和體重增加方面與Npy2rlox/lox對照小鼠無顯著差異。然而，在高脂飲食條件下，PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠顯示出明顯減少的脂肪質量增加，而瘦體質量和骨體質量無顯著變化。此外，這一趨勢在雌性小鼠中也得到了證實。缺乏POMC神經元中NPY2R信號對葡萄糖代謝沒有明顯影響。代謝分析顯示，PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠在標準飼料條件下的代謝參數與對照組無顯著差異，但在高脂飲食條件下，缺乏NPY2R信號的小鼠表現出明顯降低的自發性進食和能量消耗。這些結果表明NPY2R信號在POMC神經元中在能量攝入過剩條件下對于調節進食和脂肪堆積具有顯著作用。
7.缺乏NPY2R信號改變了POMC神經元表達概況
研究發現，在暴露于高脂飲食（HFD）條件下，POMC神經元中Npy2r和Lepr的mRNA翻譯都上調，暗示這兩個信號通路之間存在密切的功能互動。進一步研究表明，HFD導致這兩個基因的總mRNA表達也顯著增加。缺乏POMC神經元中的Npy2r影響Lepr的上調，提示Npy2r在POMC神經元中的缺失可能影響Lepr信號傳導，尤其在飲食依賴的情況下。此外，缺乏Npy2r導致POMC神經元中Pomc mRNA的降低，對HFD的反應也發生變化。這些發現表明Npy2r在POMC神經元中對于飲食調控和基因表達適應起到了重要的作用。
8.POMC神經元中的瘦素反應性取決于NPY2R信號傳導
為了研究在不同能量狀態下POMC神經元中NPY2R信號的主要功能，研究人員使用了不同能量狀態下的POMC神經元的翻譯后mRNA水平。他們觀察到，HFD條件下，POMC神經元中NPY2R和Lepr mRNA的翻譯均顯著上調，表明這兩個信號通路之間存在密切的功能相互作用。在HFD條件下，POMC神經元中NPY2R的缺失并未改變Lepr基因的基礎表達，但抑制了Lepr mRNA在HFD條件下的上調。此外，NPY2R缺失還顯著降低了POMC mRNA的表達水平。這表明，在POMC神經元中，NPY2R的缺失可能通過多種方式影響能量平衡和代謝調控。與此同時，研究人員發現NPY2R缺失保護了POMC神經元對leptin的敏感性，特別是在HFD條件下，這有助于保持這些神經元更強的厭食作用。
總結：
這篇文章研究了在正能量平衡條件下，Agrp-陰性的弓狀核NPY神經元通過改變下丘腦POMC神經元對Leptin的響應來推動攝食的機制。研究發現，盡管在正能量平衡時ARC NPY水平降低，但這些較低水平的NPY仍然能夠通過影響Leptin在POMC神經元上的響應來促使進食。這提供了對大腦中能量平衡調控機制的進一步理解，特別是在正能量平衡時，Agrp-陰性的弓狀核NPY神經元在食物攝入調控中的重要作用。