2016年11月8日，由香港科技大学生命科学部分子神经科学中心的 Yang Shen、 Min Tian、 Yuqiong Zheng、 Fei Gong、 Amy K.Y. Fu 和 Nancy Y. Ip 共同完成的研究，以“Stimulation of the hippocampal POMC/MC4R circuit alleviates synaptic plasticity impairment in an Alzheimer’s disease model”为题，正式发表于《Cell Reports》期刊（第17卷，1819–1831页）。这项研究深入探讨了阿尔茨海默病（Alzheimer‘s Disease， AD）早期阶段海马体突触可塑性受损的新机制，并提出了一个潜在的治疗靶点。
本研究的学术背景聚焦于神经科学领域，特别是神经退行性疾病与突触可塑性的交叉研究。海马体是学习和记忆的关键脑区，也是AD最早受影响的区域之一。海马体突触可塑性，尤其是长时程增强（Long-Term Potentiation， LTP），被认为是记忆形成的细胞基础。研究表明，包括神经肽在内的神经调质在调节海马体突触可塑性中发挥重要作用，但其在AD进展中的具体调控机制尚不明确。阿黑皮素原（Pro-opiomelanocortin， POMC）及其衍生肽α-黑素细胞刺激素（α-melanocyte-stimulating hormone， α-MSH）通过黑皮质素4受体（Melanocortin 4 Receptor， MC4R）介导信号传导，此前已知该通路参与能量稳态调节，并有研究提示其在海马体功能中可能起作用。然而，海马体内是否存在内源性的POMC/MC4R环路，以及该环路在AD相关的突触功能障碍中扮演何种角色，是完全未知的领域。因此，本研究旨在：1） 探明小鼠海马体内是否存在功能性的POMC/MC4R神经环路；2） 研究该环路在AD模型小鼠海马体突触可塑性损伤中的作用；3） 探索通过激活该环路改善AD相关突触缺陷的潜在治疗策略。
本研究的工作流程系统而详尽，涵盖了从环路鉴定到机制探索再到功能验证的多个步骤，主要使用了转基因小鼠模型、病毒介导的基因操作、分子生物学、电生理学和行为学等多种技术手段。
第一部分：鉴定海马体内的功能性POMC/MC4R环路。 研究人员首先利用POMC-Cre转基因小鼠，通过海马体内注射Cre依赖的绿色荧光蛋白（GFP）腺相关病毒（Adeno-Associated Virus， AAV），特异性标记海马体内的POMC神经元。他们发现，POMC神经元主要定位于海马体CA3区的锥体细胞层，少数位于齿状回（Dentate Gyrus， DG）门区。通过实时定量PCR和免疫染色进一步确认，POMC mRNA在CA2/3区表达最高，而MC4R mRNA则在CA1区表达最高。这提示CA3区的POMC神经元可能通过分泌α-MSH，作用于CA1区的MC4R，形成一个CA3到CA1的神经肽能环路。为了验证这一环路的功能性，研究者采用化学遗传学技术，向POMC-Cre小鼠的海马体注射编码激活型设计受体HM3D-Gq的Cre依赖性AAV病毒。当给予其配体氯氮平-N-氧化物（Clozapine-N-oxide， CNO）时，可选择性激活CA3区的POMC神经元。结果显示，CNO处理能显著增加海马体切片中α-MSH的分泌。更重要的是，这种激活导致了CA1区AMPA受体亚基GluA1的丝氨酸845位点（Ser845）磷酸化水平升高，而这一效应可被MC4R拮抗剂HS024所阻断。此外，在MC4R杂合缺失（MC4R+/–）小鼠中，此效应消失。这些证据共同证实了海马体内存在一个从CA3 POMC神经元到CA1 MC4R阳性神经元的、功能活跃的“配体-受体”系统。
第二部分：探究POMC/MC4R环路功能障碍在AD模型中的作用。 研究使用了经典的AD转基因小鼠模型——APP/PS1双转基因小鼠。他们发现，在出现突触功能障碍的早期阶段（4-6月龄），APP/PS1小鼠海马体CA2/3区的POMC mRNA水平显著降低，且海马体内α-MSH水平随年龄增长而升高的正常趋势被破坏。这提示AD病理可能损害了海马体的POMC/MC4R环路。为了直接验证该环路功能下降是否足以导致突触可塑性损伤，研究者在尚未表现出LTP缺陷的年轻（4-5月龄）APP/PS1小鼠中，进行了系列干预实验以破坏该环路。具体方法包括：1） 利用白喉毒素受体/白喉毒素系统，特异性消融海马体POMC神经元；2） 侧脑室慢性输注MC4R拮抗剂HS024或MCL 0020；3） 在海马体CA1区过表达MC4R的内源性反向激动剂AgRP；4） 利用短发夹RNA（shRNA）在CA1区敲低MC4R。令人瞩目的是，所有这些破坏POMC/MC4R信号通路的干预，均导致年轻APP/PS1小鼠海马体Schaffer侧支-CA1通路的LTP出现显著损伤，而这种损伤在对照组野生型小鼠中或未干预的APP/PS1小鼠中尚未出现。这表明，海马体POMC/MC4R环路的活性降低，足以诱发并加剧AD模型早期的突触可塑性缺陷。
第三部分：验证激活POMC/MC4R环路能否挽救AD模型的突触缺陷。 既然环路功能抑制会加剧损伤，那么增强其活性能否逆转损伤呢？研究者在已出现LTP损伤的6月龄APP/PS1小鼠中进行了验证。通过侧脑室慢性输注MC4R激动剂D-酪氨酸黑色素聚集素-II（D-tyr MTII），可以成功将受损的LTP恢复至野生型小鼠水平。此外，采用病毒工具在海马体POMC神经元中特异性过表达POMC或α-MSH，同样能挽救APP/PS1小鼠的LTP损伤。重要的是，如果在CA1区同时敲低MC4R，则POMC过表达所带来的挽救效应被完全抵消，证实了其作用依赖于CA1区的MC4R。除了电生理指标，研究还发现D-tyr MTII治疗能逆转APP/PS1小鼠CA1区树突棘（尤其是成熟棘）的丢失，并改善基础突触传递功能。这些结果强有力地表明，通过药物激活MC4R或基因手段补充上游配体，可以有效改善AD模型海马体的突触结构和功能缺陷。
第四部分：阐明MC4R发挥保护作用的下游分子机制。 MC4R是一种G蛋白偶联受体，主要与刺激性G蛋白（Gs）偶联。为了明确其保护作用是否通过Gs信号通路介导，研究者采用了化学遗传学方法，在CA1区神经元特异性表达与Gs偶联的设计受体RM3D-Gs。激活这些神经元中的RM3D-Gs，能够模拟MC4R激活的效果，成功挽救6月龄APP/PS1小鼠的LTP损伤。反之，激活与Gq或Gi蛋白偶联的设计受体则无此效果。这证实了Gs信号的激活是关键。进一步在细胞水平探究发现，MC4R激动剂D-tyr MTII能够预防淀粉样蛋白-β寡聚体（Aβ oligomers）诱导的海马神经元微小兴奋性突触后电流（mEPSC）频率和幅度的降低，以及急性脑片LTP的抑制。这种保护作用可被腺苷酸环化酶激活剂forskolin（升高cAMP水平）模拟，但不能被Epac2激活剂模拟，且可被蛋白激酶A（PKA）抑制剂H89所阻断。机制追踪至转录水平，研究发现Aβ处理或APP/PS1小鼠脑片中，转录因子CREB的丝氨酸133位点磷酸化（活性形式）水平降低，而D-tyr MTII处理能恢复其磷酸化。在培养的海马神经元中，过显性负性突变型CREB（S133A-CREB或KCREB）会废除D-tyr MTii对Aβ毒性的保护作用。因此，完整的信号通路得以阐明：激活MC4R → 激活Gs → 升高cAMP → 激活PKA → 磷酸化并激活CREB → 发挥突触保护作用。
本研究的主要结果环环相扣，逻辑严谨。首先，通过精细的解剖定位和功能实验，首次描绘并证实了海马体内源性POMC/MC4R环路的存在，这是该研究的奠基性发现。其次，在AD模型中观察到该环路在早期即发生功能紊乱（POMC表达下降，α-MSH水平异常），这将其与疾病病理联系起来。接着，通过“功能缺失性”实验证明，人为破坏该环路足以在AD小鼠中诱发“早发性”突触可塑性损伤，确立了该环路功能维持对防止突触缺陷的必要性。然后，通过“功能获得性”实验证明，增强该环路活性能够有效逆转已发生的突触损伤，不仅包括电生理指标LTP，还包括结构上的树突棘丢失和功能上的基础传递，这为治疗提供了直接证据。最后，从受体下游深入挖掘，明确了从MC4R到Gs/cAMP/PKA/CREB的特异性信号传导轴是介导其保护作用的核心分子机制，将现象观察深化到了机理层面。每一步的结果都为下一步的研究提供了依据和方向，并最终汇聚成完整的证据链。
研究的结论是：海马体内存在一个由CA3区POMC神经元和CA1区MC4R受体构成的功能性神经肽能环路。在阿尔茨海默病早期，该环路的功能受到破坏，这种破坏是导致海马体突触可塑性损伤的重要因素之一。相反，通过药物激活MC4R或基因手段增强该环路活性，能够通过激活Gs/cAMP/PKA/CREB信号通路，有效挽救AD模型中的突触结构和功能缺陷。这项研究不仅揭示了一个以前未知的、参与AD突触病理的神经调制机制，更重要的是，它将海马体POMC/MC4R环路确立为一个具有潜力的治疗靶点，为开发针对AD早期突触功能障碍的新型治疗策略提供了重要的理论依据和实验基础。
本研究的亮点突出：首先，在科学发现上具有高度新颖性，首次在海马体内发现并完整表征了POMC/MC4R局部神经环路，并将其与AD的突触病理直接关联。其次，研究设计精妙，综合运用了多种前沿的神经科学技术（如化学遗传学、病毒特异性标记与操控、激光显微切割等），并精心设计了一系列“功能缺失”和“功能获得”实验，形成了相互印证、无可辩驳的证据体系。第三，机制的解析非常深入和清晰，从整体动物行为、环路水平、细胞电生理、突触结构，一直深入到分子信号通路和转录调控，构建了从宏观到微观的完整理解框架。第四，具有明确的转化医学价值，研究不仅停留在机理探讨，更通过药理和基因干预证明了靶向该环路的治疗可行性，为未来的药物研发指明了方向。
此外，研究还提出了几个有价值的延伸观点：文中讨论部分推测，海马体POMC/MC4R环路可能不仅是一个局部环路，还可能接收并整合来自内嗅皮层、基底前脑等易受AD影响脑区的外部输入，其功能紊乱可能与AD中神经网络功能障碍的“扩散”有关。这为进一步研究AD的环路机制开辟了新思路。同时，作者也谨慎地指出，系统性使用MC4R激动剂可能因影响食欲等产生副作用，因此，保护或增强海马体自身POMC神经元的策略，或许是比单纯给予受体激动剂更优的治疗方向。这些思考提升了研究的深度和应用前瞻性。