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熊偉、黃光明揭示參與日光照射改善學習記憶的腦內谷氨酸合成新通路及相關神經環路機制

時間:2018-05-22 03:25:40 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  中國科學技術大學生命科學學院熊偉教授研究組與中科大化學學院黃光明教授研究組合作,通過單細胞質譜、光遺傳、分子生物學、電生理及動物行為學等技術方法,揭示了一條腦內谷氨酸合成新通路及其參與日光照射改善學習記憶的分子及神經環路機制。該研究成果以“Moderate UV Exposure Enhances Learning and Memory by Promoting a Novel Glutamate Biosynthetic Pathway in the Brain”為題于2018年5月17日在線發表在國際著名期刊《細胞》(CELL)上。

 

  眾所周知,適度的陽光照射對人體有很多好處,包括維生素D的合成以及多種皮膚疾病的治療等。此外,人們還發現陽光照射對神經系統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知。然而,由于研究手段的局限,對日光照射引起與神經系統相關的行為變化的深層機制目前并不清楚。而日光照射皮膚最終如何影響腦內神經細胞的代謝以及神經環路的功能也一直是個未解之謎。

 

  熊偉教授及黃光明教授研究團隊利用自己近期開發的單細胞質譜技術(該項工作已于2017年發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上),再結合神經科學的多種研究手段,發現日光照射動物皮膚后會使得血液里一種叫做UCA的化學物質含量大幅度增加。隨后他們發現,增加的UCA可以透過血腦屏障進入大腦神經細胞,在細胞內UCA通過一系列的生物代謝酶最終轉化成谷氨酸。細胞內的谷氨酸在運動皮層以及海馬的神經末梢釋放,進而激活運動學習以及記憶相關的腦內神經環路,從而增強動物的運動學習能力以及物體識別記憶能力。這是自70-80年代之后,再度發現新的腦內谷氨酸生物合成通路。由于谷氨酸在大腦內具有參與細胞內蛋白合成、能量代謝以及興奮性神經信號傳遞等多種重要的生理功能,因此該通路的發現對于了解大腦工作機理以及探索相關疾病發生機制都將起到非常重要的作用。


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圖注:日光照射改善人類情緒、學習和記憶的分子及神經環路機制


  中科大生命學院博士后朱洪影以及博士研究生王寧為該論文的共同第一作者。熊偉教授(中科大生命學院)與黃光明教授(中科大化學學院)為論文的通訊作者。薛天教授(中科大生命學院)、宋曉元教授(中科大生命學院)、鐘凱研究員(合肥物質科學研究院)及李家立研究員(中國科學院昆明動物研究所)課題組均參與了本項目研究。該研究工作得到了基金委、科技部、中科院先導專項以及中組部青年千人計劃等資助。該工作還得到中國科學技術大學同步輻射實驗室光電離質譜線站的儀器與技術支持。


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