模式动物中血清素能系统的作用
生物胺广泛存在于无脊椎动物和哺乳动物中，作为神经元通信的载体，参与调节生物体的多种生理和病理过程。它们是一类具有生物学功能的低分子量含氮有机碱。生物胺根据其化学骨架的不同被分为儿茶酚胺（如：多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素）、吲哚胺（如：5-羟色胺）和咪唑胺（如：组胺）。5-羟色胺作为重要的神经递质在果蝇这一模式生物中的作用尤为引人注目，它在神经传递、行为调控和生理过程中发挥着重要功能。
1、血清素能系统简介
5-羟色胺（5-HT），又叫血清素，具有重要的作用，能够影响情绪、认知、睡眠、记忆等。5-羟色胺的生物合成始于色氨酸，在色氨酸羟化酶（TRH）的作用下转化为5-羟色氨酸（5-HTP），这是一个限速步骤。第二步中，5-羟色氨酸在多巴脱羧酶（DDC）/芳香族氨基酸脱羧酶（AADC）的作用下产生5-羟色胺。5-羟色胺在突触前合成后被囊泡单胺转运体（VMAT）转运至囊泡中再经胞吐释放到突触间隙作用于后膜上的5-羟色胺受体，启动细胞级联反应。目前已有5种5-羟色胺受体在果蝇中被鉴定出来，分别是5-HT1A、5-HT1B、5-HT2A、5-HT2B及5-HT7。5-HT1A和5-HT1B偶联抑制性Gi/Go蛋白，抑制腺苷酸环化酶（AC）活性而降低胞内cAMP水平。5-HT2A和5-HT2B与Gq偶联，通过激活磷脂酶C（PLC）途径导致钙水平升高。5-HT7偶联Gs蛋白，从而刺激AC酶，增加胞质cAMP。5-HT1A和5-HT1B也表达在血清素能神经元突触前末端作为自受体发挥作用，抑制血清素释放。
血清素能神经元是最早在中枢神经系统中发育的神经元之一。有趣的是，血清素不仅作为一种经典的神经递质，也可以作为神经营养因子发挥关键作用。在小鼠中的研究表明5-HT信号转导对于介导丘脑皮层轴突（TCA）通路的生长轨迹很重要。丘脑背侧（DT）神经元中5-HT信号的减少/增加时，TCA将不再沿着原本生长轨迹移动，这可能导致大脑功能的长期改变。检测小鼠胚胎发育过程中的5-HT浓度，发现胚胎前脑中5-HT的来源随时间变化，从早期的外源性（胎盘）来源到后来的内源性（DR血清素能神经元）来源。发育过程中的这种转换使胚胎大脑逐渐依赖于自身产生的5-HT。
成年果蝇大脑含有约90个血清素能神经元，每个半球根据胞体所在位置可以区分出11个神经元群，分别支配着不同脑区。5-羟色胺作用的结束取决于其在突触间隙通过血清素转运体（SERT）重新摄取回到突触前神经元。一旦进入细胞质，5-羟色胺可以通过VMAT转运回囊泡作为神经递质被重新利用，或者可以被单胺氧化酶（MAO）代谢。2011年的一篇研究论文显示果蝇中SERT和5-HT表达位置完全重合，表明所有的5-羟色胺能神经元都表达SERT，反之亦然。体内血清素的浓度变化与抑郁症的发病机制有关，SERT调节神经突触间隙中血清素浓度的作用使其成为抗抑郁药物的主要靶点之一。
在果蝇中血清素能系统与其他胺能系统的相互作用已被众多研究证明。5-羟色胺能和多巴胺能神经元的轴突投射在果蝇大脑磨菇体中具有竞争性相互作用，多巴胺的缺失促进了5-羟色胺的投射而多巴胺水平的上升发挥了相反的作用。此外，在昼夜节律调节中，5-HT系统与其他胺能系统也有强烈的合作性相互作用。
2、血清素对果蝇不同行为的调控
成年果蝇大脑的血清素能神经元在中枢神经系统内以空间多样化的簇模式分布，在多个部位同时起到作用，且在对果蝇的多种行为的调控中作为关键因子发挥影响力，如调节自发运动、睡眠、社交、突触形成以及长期记忆形成等。5-HT受体的不同亚型可能在调控同一行为时彼此联系又发挥着不同的作用。
5-羟色胺调控果蝇的基本状态。5-HT介导果蝇的行走，激活位于VNC的血清素能神经元会减慢行走速度，而抑制这些神经元则会增强行走速度。对于果蝇来说，不同的血清素受体在调节行为时可能起着不同的作用，如：在睡眠行为中，5-HT1a促进睡眠，其突变后果蝇的睡眠时间短且零碎，但昼夜节律正常；5-HT2b调控睡眠稳态，5HT2b基因的缺失会减少睡眠剥夺后的睡眠反弹；而5-HT7受体神经元参与调节睡眠结构而不影响睡眠总量，其激活导致睡眠碎片化。
人们通过针对5-HT受体亚型的药理学和遗传学方法证明了其在果蝇嗅觉学习和记忆中起到的关键作用。条件刺激（CS）和非条件刺激（US）之间的重合对于联想学习至关重要。李毓龙课题组就其同步时间窗口的机制展开研究，并发现果蝇嗅觉学习的同步时间窗受5-HT信号的双向调节，并影响蘑菇体中Kenyon细胞（KCs）的突触可塑性。KCs释放的乙酰胆碱激活了血清素能的DPM神经元，该神经元与KCs形成反馈抑制电路。人为地减少或增加DPM神经元释放的5-HT分别会缩短或延长同步窗口。
5-羟色胺在社交行为中也有着明确作用，5-HT对于生物的初次社交行为——与母亲的亲密性有着重要影响。饶毅课题组在小鼠、大鼠以及恒河猴身上都进行了幼崽亲母行为的测定，验证了此调节行为的物种间保守性。小鼠、大鼠或猴子中的Tph2基因被敲除导致亲母行为的显著丧失，母体气味激活了中缝核（RN）中的血清素能神经元和室旁核（PVN）中的催产素能神经元。抑制血清素能神经元后减少的母体偏好被催产素能神经元的激活所挽救，表明催产素在5-HT下游起作用，共同调节婴儿的亲母关系。
由于血清素能神经元的广泛分布以及不同亚型间的相互作用，目前关于其共同调节行为范式方面，人们还在从不同角度进行研究解读，相信随着时间的发展，会对血清素的复杂调节有着更加清晰的认知。
3、血清素与模式动物的疾病治疗
在人体中，5-HT受体一共有14种，分为G蛋白偶联受体和配体门控离子通道。不同的受体被激活后介导不同的通路，影响不同的生理过程。5-羟色胺转运体SERT定位于血清素能神经元的轴突末端，在每个循环中转移一个或多个分子。各种药物主要作用于5-HTR和SERT。
在线虫的神经毒性研究中，抗癌药顺铂诱导的秀丽隐杆线虫神经毒性不依赖于5-羟色胺的生物合成和再摄取，而可能涉及5-羟色胺受体亚型7。抗抑郁药度洛西汀可以预防导致的神经毒性，用于保护神经候选药物的临床前鉴定。在线虫的体脂研究中，章鱼胺能的ser6 GPCR诱导ADF神经元的5-HT表达，5-HT门控氯离子通道MOD-1通过核受体NHR-76传递线虫体腔神经元的长程内分泌信号来促进甘油三酯脂肪酶ATGL-1的功能。为长期观察到的5-羟色胺能和肾上腺素能联合减肥药物的有效作用提供了一个潜在的分子解释。
在斑马鱼自主心脏控制研究中，血清素在从胚胎发生到成年的心血管功能中起着调节作用，在心内膜细胞、心房中的胶质样细胞和心内神经元中存在5-HT，导致心率降低。最近有研究表明，为大脑提供新的神经元可以对抗阿尔茨海默病（AD）。淀粉样蛋白毒性诱导的白细胞介素-4（IL4）通过抑制色氨酸代谢和减少血清素的产生来促进神经干细胞（NSC）的增殖和神经发生。血清素通过下调对血清素有反应的脑室周围神经元中脑源性神经营养因子（BDNF）的表达来抑制NSC的增殖。表明斑马鱼中复杂的神经元-神经胶质相互作用调节AD患病后的再生神经发生。
在小鼠中，肠道5-HT的增加抑制了自噬，并导致结肠炎易感性的增强。在结肠炎期间，结肠中肠嗜铬细胞（EC）细胞分泌的黏膜5-HT增加，与肠上皮细胞（IEC）上的5-HT3、5-HT4和5-HT7受体结合，并抑制AMPK，抑制了自噬（Atg）蛋白的形成，从而导致IEC中自噬的损伤。这导致IEC减少了抗菌肽的产生，从而改变了正常肠道微生物群的组成，影响促炎细胞因子的分泌，导致炎症更加严重。5-HT是肠道炎症性疾病的一个先前未知的治疗靶点。
抑郁症是大脑化学物质异常的结果，特别是5-羟色胺。抑郁的血清素假说是指5-羟色胺能神经元的功能低下，它们的联系在20世纪60年代首次被提出。之后礼来公司的选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）抗抑郁药——氟西汀获得 FDA 批准，成为人类历史上第一款用于治疗抑郁症的血清素药物。但是后来的研究中发现在服用后几个小时，脑内血清素的浓度就能上升数倍，但患者的症状要在开始服用后数周才出现好转，一开始甚至可能会加重，说明抑郁症症状可能不只来源于低浓度血清素。还有一些患者服用氟西汀后体内的血清素浓度升高，病情却没有得到改善。有一些完全不作用于血清素的药物，也有抗抑郁的效果。血清素似乎的确与抑郁症有关，但绝不是抑郁症的全部病因。又或者，提升血清素浓度只是一个中间步骤。尽管有人提出质疑，但抑郁症的血清素理论仍然有影响力。
此外，有一些技术也被开发出来。例如Steven W. Flavell实验室在全脑尺度上解剖线虫血清素能系统的功能组织，使用神经元ID进行的全脑记录显示了与血清素相关的大脑动力学。李毓龙实验室成功开发出新型、高灵敏度、高特异性以及反应动力学速率可达亚秒级别的5-HT荧光探针（GRAB5-HT1.0），直接可视化5-HT的释放。
最普遍的与血清素有关的投入使用的药物应该是SSRI。它是近年来广泛使用的处方抗抑郁药物，通过抑制5-羟色胺重摄取进入突触前细胞而增加突触间隙5-羟色胺的水平。被誉为“抗抑郁药的五朵金花”的五种常用抗抑郁药：氟西汀（百优解）、帕罗西汀（赛乐特）、舍曲林（左洛复）、氟伏沙明（兰释）、西酞普兰（喜普妙），都属于SSRI。SSRI之间因分子结构、药物特征和药代动力学相异，导致每种SSRI的半衰期、临床活性、副作用和药物相互作用的不同，所以应根据需求用药。
本次journal club的 slides 见附件pdf：
by 姜思梅、张兆琨、李子奇