張玉秋團隊發現初級感覺神經元AC3可調控外周傷害感受和κ阿片鎮痛

近日，張玉秋團隊最新研究揭示了小鼠外周神經系統AC3在傷害性信息調控及KOR阿片鎮痛中的關鍵性作用。該研究為開發靶向特異性AC亞型的鎮痛策略提供了重要線索。

腺苷酸環化酶（ACs）是一類具有重要生理學功能的酶家族，可以催化ATP生成胞內第二信使cAMP。迄今為止，哺乳動物體內共發現10個亞類的ACs。鑒于ACs的廣泛分布和參與眾多細胞生理過程，研究AC亞型在不同類型組織細胞中的功能從而探索靶向AC亞型的臨床藥物開發是大有前景和極具挑戰的工作。相對于其他AC亞型，對AC3在神經系統的功能研究相對較晚。最初的研究發現AC3主要表達在嗅上皮纖毛，負責嗅球氣味和信息素的檢測，激素或氣味分子與G蛋白耦聯受體（GPCRs）相互作用通過Gαolf蛋白激活AC3。敲除AC3會導致氣味介導的信號通路缺失，氣味介導的學習等行為受損，嗅覺軸突發育及投射異常，嗅覺纖毛對氣流機械力的檢測缺失。隨后的研究發現AC3在整個中樞神經系統神經元的初級纖毛廣泛表達，并被作為中樞神經元初級纖毛的標志物。AC3全身敲除小鼠出現對新物體的短期記憶減弱，環境條件恐懼記憶消失，并出現睡眠模式改變和抑郁樣行為等。張玉秋課題組的最新研究發現，不同于中樞神經系統和嗅覺感受器，AC3在軀體感覺感受器神經元特別是DRG傷害感受器神經元胞體大量表達。利用cre-loxp系統選擇性敲除DRG內AC3（AC3CKO），小鼠對多種方式的傷害性刺激包括機械、熱和化學刺激的反應增強，表明DRG缺失AC3導致痛覺敏化。電生理記錄顯示，敲除AC3的DRG神經元電壓門控鉀通道電流（IA和IK）降低，神經元興奮性增強。作為代償，AC3CKO小鼠DRG內AC1表達顯著上調，cAMP含量增加。抑制AC1可顯著翻轉AC3CKO引起的cAMP濃度增高、電壓門控鉀電流減小和神經元興奮性增強，并有效緩解AC3CKO小鼠的痛覺敏化行為。

腺苷酸環化酶（ACs）是G蛋白耦聯受體（GPCRs）的效應器。阿片類藥物是一種常見的鎮痛藥物，可通過其相應G蛋白耦聯受體激活Gαi蛋白，抑制ACs催化生成cAMP，減少突觸傳遞，降低神經元活動，抑制傷害性行為反應。作為DRG神經元主要表達的AC亞型，AC3是否參與介導阿片類藥物的鎮痛作用尚缺乏實驗證據。本研究結果顯示，AC3CKO導致κ阿片受體（KOR）介導的鎮痛作用完全缺失，但對μ阿片受體（MOR）和δ阿片受體（DOR）介導的鎮痛無影響。鞘內給予Gαi/o蛋白抑制劑可完全阻斷KOR介導的鎮痛效應。RNAscope熒光原位雜交實驗顯示，超過85%以上的KOR陽性神經元表達AC3 mRNA。鄰位連接技術和免疫共沉淀實驗顯示KOR和AC3存在相互作用，蛋白對接模型預測顯示，KOR分子上的170Arg-196Leuα-螺旋結構與AC3的940ILE-952LEU β-turn結構和1123Asp-1142asp α-螺旋結構相結合。這些結果提示，除了經典的Gαi/o信號通路，KOR與AC3蛋白之間直接的相互作用可能也參與介導κ阿片鎮痛。

▲總結示意圖

該項研究成果主要由張玉秋教授課題組博士生張雯雯（第一作者）完成，山東中醫藥大學付先軍教授課題組提供蛋白對接模型。相關研究成果以“Peripheral ablation of type Ⅲ adenylyl cyclase induces hyperalgesia and eliminates KOR-mediated analgesia in mice”為題，發表于JCI Insight（2022,7:e153191）雜志上。研究得到教育部腦科學前沿科學中心和醫學神經生物學國家重點實驗室，以及張江實驗室和上海腦科學與類腦研究中心支持。