多巴胺驱动母体大脑持续重塑

《Nature》：Dopamine drives persistent remodelling of the maternal brain

　　

妊娠及产后经历代表了对母体身体和大脑产生持久需求的变革性生理状态，导致终身神经适应性改变。然而，驱动这些持续性改变的确切分子机制仍知之甚少。研究人员利用全脑转录组分析技术界定了生殖经历诱导的神经可塑性的分子景观，将背侧海马（dorsal hippocampal formation, dHF）确定为转录重塑的关键位点。结合单细胞RNA测序与母婴分离范式，研究人员进一步发现慢性产后应激通过改变多巴胺动态显著破坏dHF适应性，导致多巴胺依赖性组蛋白翻译后修饰——H3多巴胺酰化（H3 dopaminylation, H3K4me3Q5^dop）发生变化，该修饰因果性地介导下游基因表达和行为的改变。在人类背侧下托（dorsal subiculum, dSub）——dHF内的一个脑结构——中，研究人员揭示了H3多巴胺酰化和转录的产次依赖性改变的保守模式。研究人员进一步通过化学遗传学抑制多巴胺释放至dHF，确立了多巴胺调控在调节这些适应性中的充分性，该操作在处女雌鼠中重现了生殖经历的关键表观基因组和行为特征。总之，研究人员的发现确立了多巴胺作为人类和小鼠中产次诱导神经适应性的核心调控因子，揭示了雌性生殖经历重塑大脑以维持长期行为适应性的基本转录机制。

母亲角色转变（matrescence）——向母亲身份过渡的身体、情感、激素和社会转变——是一个深刻重塑母体身体和大脑以支持妊娠、分娩和后代护理的时期。尽管大量研究聚焦于对亲代行为启动和维持至关重要的急性母体脑过程，但脑适应性如何在产后持续存在以持久影响行为仍不清楚。近期人类神经影像学研究揭示，产次（parity）——涵盖通过不同受孕方式、分娩方式和婴儿喂养方式完成的既往妊娠——诱导脑连接和结构的长期改变，在分娩后持续数年甚至数十年。类似地，捕捉妊娠、分娩、哺乳和母性护理复合暴露的动物产次模型（以下称为生殖经历，reproductive experience, RE）也显示出突触重塑、细胞增殖和行为结果的持续性改变。然而，驱动这些持久性脑适应性的母体生理变化中的具体机制仍知之甚少。

研究人员开展了系统的全脑转录组研究工作，旨在解析生殖经历诱导的持续性神经适应性机制。研究比较了经历完整生殖和母性暴露（配种、妊娠、分娩、哺乳和幼崽互动）的母鼠与年龄匹配的处女未产（nulliparous, NP）小鼠，于幼崽断奶后4周（产后49天）进行全脑转录组分析。在基于既往证据选定与母性行为相关的11个脑区中，背侧海马（dHF）表现出最显著的转录敏感性。细胞类型反卷积分析表明，神经元标志物表达在高敏感性区域下调；而调整细胞类型比例后，dHF仍保持最高转录敏感性，提示生殖经历诱导该区域稳健的神经元内在转录重塑。加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis, WGCNA）识别出与生殖经历高敏感性区域显著相关的棕色、绿色、黄色和洋红色共表达模块，这些模块富集于雌激素和多巴胺等神经调质信号通路。行为学评估显示，生殖经历雌鼠在幼崽取回任务中潜伏期显著缩短，在情境恐惧条件反射中表现出增强的习得和记忆提取，与转录改变所提示的功能变化一致。

研究人员进一步解析了驱动dHF持续性转录改变的具体生殖事件。通过比较成功配种但未妊娠、妊娠分娩但产后立即移除幼崽、以及处女雌鼠暴露于供体幼崽21天等不同条件，发现妊娠分娩组最接近完整生殖经历的转录组特征，但幅度不及后者，表明需要额外经历才能达到完全诱导。时间进程研究揭示，产后窗口期是强化生殖经历诱导改变的关键时期，存在持续进行性下调的基因集富集于谷氨酸能突触、多巴胺能信号和内内分泌相关通路。

产后应激对dHF适应性的破坏机制研究中，研究人员实施了10-20天产后每日3小时母婴分离伴有限筑巢材料的慢性应激范式。该应激使dHF转录谱介于未产与对照生殖经历之间，约85%的差异表达基因（differentially expressed genes, DEGs）方向与对照相反，富集于长时程增强、多巴胺能突触和催产素信号等通路。行为上，应激生殖经历雌鼠的情境恐惧条件反射表现不再优于未产鼠。单细胞核RNA测序（single-nuclei RNA sequencing, snRNA-seq）分析109,334个核，鉴定16个细胞类群，其中GABA.2抑制性神经元亚群比例在生殖经历后减少，该亚群富集多巴胺受体D1（Drd1）和D2（Drd2）表达。RNA荧光原位杂交（FISH）验证了背侧CA1和齿状回（dentate gyrus, DG）中Drd1/2阳性细胞分布的改变。急性幼崽分离使dHF多巴胺水平升高，而慢性重复分离导致dHF和伏隔核（nucleus accumbens, NAc）基线多巴胺水平升高，提示多巴胺动态失衡是产后应激破坏神经适应性的关键机制。

H3多巴胺酰化的跨物种保守性研究方面，研究人员聚焦于新近表征的单胺类组蛋白翻译后修饰。该修饰由组织转谷氨酰胺酶2（tissue transglutaminase 2, TG2）催化，将多巴胺等生物单胺转酰胺到组蛋白H3的谷氨酰胺5残位（H3Q5），该位点紧邻经典的H3K4me3标记。利用经验证的H3K4me3Q5^dop抗体进行CUT&RUN-seq分析，发现生殖经历小鼠dHF中H3多巴胺酰化总体下调，其差异峰与差异表达基因显著重叠，且下调峰的基因转录起始位点（transcriptional start site, TSS）富集减少。为评估转化相关性，研究人员在人类背侧下托（dorsal subiculum, dSub）——snRNA-seq分析确定的dHF内对生殖经历最敏感的亚区——进行了转录组和H3K4me3Q5^dop分析。比较年龄匹配的未产与1-2次既往分娩的经产个体，鉴定出稳健的产次依赖性差异基因表达，与鼠类假大量表达谱显示强一致性，且共享上游调控因子。人类dSub的H3K4me3Q5^dop差异结合分析显示经产个体广泛的多巴胺酰化信号降低，对应基因表达分析结果，差异位点富集于母性行为、行为恐惧反应、激素调控和多巴胺转运等通路，提示dHF中多巴胺敏感性转录程序的保守性生殖经历相关重塑。

多巴胺充分性验证实验中，研究人员化学遗传学抑制腹侧被盖区（ventral tegmental area, VTA）至dHF的多巴胺能投射，通过向dHF注射酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase, TH）驱动的逆向腺相关病毒（retrograde adeno-associated viral vector, AAV）表达Cre重组酶，同时在VTA双侧表达floxed抑制性hM4Di-DREADD，配合设计药物氯氮平类似物（deschloroclozapine, DCZ）给药。该操作有效抑制dHF多巴胺水平后，处女雌鼠在幼崽取回任务中表现改善，情境恐惧习得增强；细胞水平上再现了生殖经历样的Drd1/2表达分布改变；转录组分析显示与生殖经历-敏感棕色模块基因的重叠，RRHO分析支持其与生殖经历转录谱的一致性；H3K4me3Q5^dop在差异基因TSS处显著降低，且调控这些基因的转录因子与人类dSub及小鼠模型中的发现重叠，确立了多巴胺调控在调节这些适应性中的充分性。

H3多巴胺酰化的因果性调控研究中，研究人员通过AAV表达组蛋白H3.3构建体验证H3多巴胺酰化的因果作用。野生型H3.3（H3.3 WT）作为对照，H3.3(Q5A)突变体——谷氨酰胺5位突变为丙氨酸——作为显性负性突变减少单胺酰化修饰。在产后应激dHF中，H3.3(Q5A)表达逆转了区分对照生殖经历与应激生殖经历的差异H3多巴胺酰化位点，这些位点富集于多巴胺转运、谷氨酸能信号和学习相关通路。转录组分析显示，H3.3(Q5A)部分恢复了应激生殖经历向对照生殖经历转录模式的转变，差异基因与生殖经历-敏感绿色模块重叠。行为水平上，H3.3(Q5A)表达使应激生殖经历雌鼠的情境恐惧习得恢复到对照生殖经历水平，建立了H3多巴胺酰化作为产后应激与生殖经历适应性之间关键调控节点的因果联系。

讨论部分，研究人员结合控制性的全脑、时间进程和细胞类型特异性转录组分析以及稳健的行为输出，识别了动态塑造妊娠和产后经历的基因网络、生殖事件和神经调质依赖性表观遗传过程，从而在这些阶段结束后长期促进可塑性。研究特别将dHF确定为持续可塑性的关键位点，与其在空间认知、新奇检测和感觉整合中的既定作用一致，这些功能可能赋予产次母鼠对觅食、巢穴导航和后代生存相关的显著环境线索的高度敏感性。产后应激模型揭示多巴胺动态对于维持dHF母性适应性至关重要，慢性多巴胺升高（通过产后应激）与化学遗传学抑制（在处女dHF中）双向调节生殖经历相关改变。人类dSub中保留了转录和表观遗传改变，提示多巴胺作为母脑重塑的保守驱动因子。H3多巴胺酰化的逆转足以恢复产后应激后的生殖经历适应性，直接将生殖经历依赖的dHF转录可塑性与持续性行为适应联系起来，并确立了H3多巴胺酰化作为调控受生殖经历和产后应激影响的转录网络的关键因子。

研究结论指出，通过全脑、时间进程和细胞类型特异性转录组分析，结合配对的行为评估，研究人员识别了在妊娠和产后经历中动态塑造区域敏感性的基因网络、生殖事件和神经调质依赖性表观遗传过程，从而在这些阶段结束后长期促进可塑性。研究确立了多巴胺作为人类和小鼠中产次诱导神经适应性的核心调控因子，揭示了雌性生殖经历通过H3多巴胺酰化这一基本转录机制重塑大脑以维持长期行为适应性的分子基础，并强调了妊娠和产后期间应激缓解的重要性。