斑马鱼视网膜-下丘脑光神经内分泌通路调控背景适应的分子机制解析

《Current Biology》：Molecular delineation of a retina-dependent photoneuroendocrine pathway in zebrafish

本研究揭示了斑马鱼视觉背景适应（VBA）的神经环路机制。研究人员发现表达Onecut1的光敏视网膜神经节细胞（ipRGCs）通过投射至视前下丘脑AF1区，特异性调控pmchl（黑色素聚集激素样基因）表达，同时抑制pomca（前阿黑皮素原基因），从而介导皮肤色素聚集。该研究首次在分子和细胞层面阐明了从光感知到内分泌输出的完整通路。

　　

许多脊椎动物具有根据环境背景亮度动态调整体色的神奇能力，这种被称为视觉背景适应（Visual Background Adaptation, VBA）的现象在鱼类、两栖类和爬行类中尤为常见。当这些动物从黑暗环境转移到明亮环境时，皮肤中的黑色素颗粒会在数十分钟内聚集，使体色变浅，从而更好地融入周围环境；反之亦然。这一过程对于动物的伪装和生存至关重要。尽管科学家早已知道这一过程依赖于视网膜感知光线，并将信号传递至下丘脑，最终通过脑垂体释放肽类激素到血液中调控皮肤色素细胞，但具体的神经环路和分子机制一直是个未解之谜。

在斑马鱼中，VBA反应主要由两种作用相反的激素调控：黑色素聚集激素（Melanin-Concentrating Hormone, MCH）诱导皮肤变白，而α-黑色素细胞刺激素（α-Melanocyte-Stimulating Hormone, α-MSH）则促进皮肤变黑。斑马鱼基因组中含有两个MCH同源基因——pmch和pmch^l，但它们在该过程中的具体分工尚不清楚。此外，尽管已知视网膜神经节细胞（Retinal Ganglion Cells, RGCs）对VBA至关重要，但究竟是哪些特定类型的RGCs负责感知环境亮度并启动这一神经内分泌反应，也一直是领域内的核心问题。

为了解决这些问题，来自德国马克斯·普朗克生物智能研究所的Herwig Baier团队在《Current Biology》上发表了他们的最新研究成果。他们综合运用转基因技术、细胞特异性消融、单神经元追踪、杂交链式反应（HCR）RNA原位荧光标记等多种先进技术，在分子和细胞水平上完整解析了一条从视网膜到下丘脑的光神经内分泌通路。

研究人员首先确认了pmch^l（而非pmch）是介导VBA的关键基因。通过构建特异性转基因斑马鱼品系，他们能够分别可视化并操控表达pmch和pmch^l的神经元。化学遗传学细胞消融实验明确显示，仅消融pmch^l神经元会导致斑马鱼幼鱼无法适应明亮背景而始终保持暗色表型，而消融pmch神经元则无此影响。

接下来，团队将目光投向视网膜，寻找启动这一过程的光感受细胞。他们发现，表达转录因子Onecut1的光敏视网膜神经节细胞（ipRGCs）是调控VBA的关键。通过一种巧妙的遗传学交集策略，研究人员能够特异性标记和操控onecut1+的ipRGCs。单神经元重建结果显示，这些ipRGCs广泛投射到多个视觉接收区，特别是视前下丘脑的AF1神经纤维网区域。重要的是，他们发现onecut1+ ipRGCs的轴突与pmch^l下丘脑神经元的树突在AF1区存在空间重叠，这提示此处可能是视网膜信号传递给VBA通路的关键突触位点。

功能实验证实，特异性消融onecut1+ ipRGCs（而非eomesa+ ipRGCs）会完全破坏斑马鱼的VBA能力。在分子水平上，研究人员发现onecut1+ ipRGCs通过双重机制调控皮肤色素分布：在明亮背景下，它们一方面增加下丘脑中pmch^l的转录水平，另一方面抑制脑垂体中pomca（编码α-MSH）的表达。这种对MCH和α-MSH的相反方向的调控，完美解释了VBA过程中色素颗粒的聚集现象。

尤为重要的是，研究人员发现pmch^l和pomca的表达是独立受调控的——消融pmch^l神经元并不会影响pomca水平，表明onecut1+ ipRGCs通过平行通路分别调控这两个激素轴。

主要技术方法

研究主要使用了以下关键技术：利用转基因技术构建pmch:Gal4、pmch^l:Gal4和onecut1:QF2等斑马鱼品系；采用化学遗传学方法（硝基还原酶/NTR系统）进行细胞特异性消融；通过杂交链式反应（HCR）进行高灵敏度RNA原位杂交；应用脑图谱注册技术（mapzebrain.org）进行单神经元三维重建和脑区定位；使用遗传学交集策略实现细胞类型特异性操控。

pmch^l（而非pmch）神经元介导斑马鱼的VBA

研究人员生成并验证了分别标记pmch和pmch^l神经元的转基因斑马鱼品系。通过化学遗传学消融实验，他们发现只有消融pmch^l神经元会破坏VBA，而消融pmch神经元无影响，明确证实pmch^l是介导背景适应的关键基因。

onecut1和eomesa转录因子定义opn4xa和/或opn4b ipRGCs亚群

通过HCR染色和单细胞转录组分析，研究人员发现onecut1+和eomesa+的RGCs表达黑视蛋白opn4xa和/或opn4b，构成了不同的ipRGCs亚群。onecut1+ RGCs在视网膜背侧半部富集，这可能与其探测下方光线的功能相关。

onecut1+和eomesa+ ipRGCs投射至多个视觉接收区

利用遗传学交集策略特异性标记ipRGCs，研究人员发现onecut1+和eomesa+ ipRGCs均投射至多个视觉接收区，包括视前区的AF1和AF2、丘脑的AF3和AF4以及顶盖前区的AF9d等。单神经元追踪揭示了这些细胞复杂多样的形态和投射模式。

onecut1+ ipRGCs轴突与pmch^l神经元树突在视前区重叠

通过共注册分析，研究人员发现onecut1+ RGCs轴突与pmch^l神经元树突在视前下丘脑的AF1神经纤维网区域存在显著的空间重叠，提示此处可能是视网膜信号传递给VBA通路的关键突触位点。

onecut1+（而非eomesa+）ipRGCs是VBA所必需的

特异性消融onecut1+ RGCs（而非eomesa+ RGCs）会破坏VBA，证实onecut1+ ipRGCs是调控背景适应的关键细胞类型。研究人员推测onecut1+/eomesa-/opn4b+ ipRGCs亚群可能在此过程中起主要作用。

onecut1+ RGCs通过调控下丘脑pmch^l和垂体pomca表达控制VBA

分子水平上，onecut1+ ipRGCs在明亮背景下增加下丘脑中pmch^l转录，同时抑制垂体中pomca表达。这种对MCH和α-MSH的相反方向调控，共同促进了皮肤色素的聚集。重要的是，这两个调控通路是独立的，表明ipRGCs通过平行机制协调色素适应反应。

下丘脑pmch^l和垂体pomca表达水平受光独立调控

实验表明，消融pmch^l神经元不会影响pomca水平，反之亦然，证实这两个激素轴受光独立调控。这种独立的双重调控机制确保了VBA反应的精确性和鲁棒性。

这项研究首次在分子和细胞水平完整揭示了一条从视网膜光感知到皮肤色素调整的神经内分泌通路。研究人员不仅鉴定了关键的细胞类型（onecut1+ ipRGCs和pmch^l下丘脑神经元），还解析了它们的连接模式（AF1区的轴突-树突重叠）和调控机制（对pmch^l和pomca的相反方向转录调控）。该通路解释了斑马鱼如何通过视网膜感知环境亮度，并将这一信息通过特定的ipRGCs传递至下丘脑，进而通过调控MCH和α-MSH的平衡来调整皮肤色素分布，实现有效的背景适应。

这一发现不仅解决了鱼类生理学中的一个长期问题，也为理解光调节内分泌反应的进化保守性提供了重要见解。值得注意的是，哺乳动物在进化过程中丢失了pmch^l基因和VBA能力，而保留了pmch在能量平衡中的功能，这反映了MCH系统在脊椎动物进化中的功能分化。该研究建立的实验范式和方法工具，也为未来研究光调节行为和内稳态的神经机制提供了重要基础。