研究揭秘——可能不是意志力，而是大脑神经“天线”上的GPR45蛋白罢工了

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Science：为什么你总“管不住嘴”？研究揭秘——可能不是意志力，而是大脑神经“天线”上的GPR45蛋白罢工了
3 N. b  L2 f( \$ \+ c/ E来源：生物探索 2025-06-14 16:338 K7 {# @  w. R% f  Z
研究人员发现了一个名为GPR45的神秘蛋白，它并不像传统的信号接收器那样工作，反而像一个高效的“快递员”，在大脑神经元一种微小的“天线”结构上，负责递送一个关键的“信号包裹”。
$ V9 Z& Z$ f/ A. T( R0 ~# t“管住嘴，迈开腿”，这句减肥箴言听起来简单，却让无数人为之挣扎。我们常常将肥胖归咎于意志力薄弱，但越来越多的科学证据表明，食欲和体重的背后，是一套由我们大脑精准调控的、极其复杂的生物学程序。在这个程序的指挥中心——我们大脑的深处，隐藏着决定我们是感到饥饿还是饱足的终极密码。: e$ E4 ^' n( T% h$ l6 L( k- ~
近日，一项发表在顶级期刊《Science》上的研究“GPR45 modulates Gαs at primary cilia of the paraventricular hypothalamus to control food intake”，为我们揭示了这个系统中一个前所未知的关键角色。研究人员发现了一个名为GPR45的神秘蛋白，它并不像传统的信号接收器那样工作，反而像一个高效的“快递员”，在大脑神经元一种微小的“天线”结构上，负责递送一个关键的“信号包裹”。当这位“快递员”罢工时，大脑的饱腹感指令就会中断，导致无法抑制的食欲和严重的肥胖。9 m- B# t# j$ z6 a
这不仅仅是一个关于“吃多少”的故事，它更像一部细胞层面的侦探剧，带领我们深入大脑的指挥中枢，去探寻一个长久以来的谜题：我们的大脑，究竟是如何在微观层面巧妙地调控饥饿感的？
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5 L: v/ m, }6 [; Y2 O; T: @大脑的“饱腹感指挥部”：下丘脑的精密网络
% z  T( m7 Q" i0 x在了解这位神秘的“快递员”之前，我们首先需要走进它工作的“城市”——大脑的下丘脑 (hypothalamus)。这里是调节身体能量平衡的核心枢纽，像一个国家的中央银行，时刻监控着能量的“收支”情况。
) o6 \+ l# V# ~2 D8 D这个系统中，最著名的信号通路之一是瘦素-黑皮质素信号通路 (leptin-melanocortin signaling pathway)。故事通常从我们的脂肪组织开始。当脂肪储存足够多时，脂肪细胞会分泌一种叫做瘦素 (leptin) 的激素，它就像一封“我已经吃饱了”的信件，通过血液循环送达大脑。% }0 `8 D& `; h6 A4 D+ b) k& L1 H2 O
下丘脑中的弓状核 (arcuate nucleus, ARH) 是这封信件的主要收件地址。这里的神经元分为两大派系：一派是POMC神经元，它们在收到瘦素信号后会被激活，产生抑制食欲的信号；另一派是AgRP/NPY神经元，它们的作用是促进食欲，而瘦素会抑制它们的活动。7 s: C7 C  R# i- T/ R6 F8 R1 N
POMC神经元被激活后，会释放一种叫做α-黑素细胞刺激素 (α-MSH) 的信使，这个信使会继续前往下一个站点——下丘脑室旁核 (paraventricular nucleus of the hypothalamus, PVH)。在这里，它会与黑皮质素-4受体 (melanocortin-4 receptor, MC4R) 结合。MC4R就像一个门锁，当α-MSH这把钥匙插入时，门锁打开，神经元内部就会产生一系列化学反应，最终向身体发出“停止进食”的指令，让我们感到饱足。8 t2 S" E$ k/ D4 t, D' X4 B
这个从脂肪到弓状核再到室旁核的信号链，构成了我们身体最核心的食欲调节机制。这个链条上的任何一个环节出现问题，都可能导致灾难性的后果——持续的饥饿和肥胖。而本次研究的主角，正是在这个指挥部的核心区域——下丘脑室旁核（PVH）中，扮演着一个前所未闻的角色。
3 R- D5 Z* {4 M, y8 M; X7 l/ i细胞的“天线”：被忽视的信号中心——初级纤毛" x# Q% q$ o5 s
长期以来，研究人员一直认为MC4R受体及其下游的信号分子遍布在神经元的细胞膜上。但近年来的发现彻底改变了这一看法。原来，在包括神经元在内的大多数细胞表面，都伸出了一根微小的、像天线一样的结构，叫做初级纤毛 (primary cilia)。
! _4 z* l* Q. P& Y/ p这些纤毛一度被认为是细胞演化过程中残留的无用结构。但现在我们知道，它们是高度复杂的信号中心，是细胞用来感知外界环境的“天线”和“雷达”。令人惊讶的是，研究人员发现，调控食欲的关键蛋白，包括MC4R和它的重要搭档腺苷酸环化酶3 (adenylyl cyclase 3, ADCY3)，都富集在这些神经元的初级纤毛上。ADCY3的作用是在接收到信号后，生产一种叫做环磷酸腺苷 (cyclic adenosine monophosphate, cAMP) 的第二信使分子，cAMP正是细胞内传递“饱腹”指令的最终信号。3 y. k% ?/ M8 |; c
这一发现引出了一个关键问题：为什么这些重要的信号分子要挤在如此狭小的“天线”上工作？纤毛内部的信号传导机制有何特殊之处？如果这个“天线”出了问题，会发生什么？事实上，许多被称为“纤毛病”的遗传疾病，其典型症状之一就是无法控制的肥胖。这强烈暗示，初级纤毛的功能对于能量平衡至关重要。然而，纤毛内部信号网络的具体运作方式，一直是个未解之谜。6 P1 U9 f: t8 D& \$ j
“大海捞针”式的筛选：GPR45基因的意外登场* f: @! ]" i4 z# d% a: N; f2 C
为了找到更多与能量平衡相关的未知基因，研究人员采用了一种强大的技术——正向遗传学筛选 (forward genetic screen)。他们首先使用化学诱变剂 (ENU) 在小鼠体内随机制造基因突变，然后对超过16万只后代小鼠进行系统性的体重监测。这就像是在一座巨大的图书馆里，随机修改一些文字，然后去寻找哪一个错别字会引发一本关于“肥胖”的书籍。2 }/ z! u/ c( Q* G+ h
通过这种“大海捞针”式的方法，研究人员发现了两个独立的肥胖小鼠品系，分别命名为“expansive”和“extensive”。经过精密的基因定位分析，他们惊讶地发现，这两个品系的肥胖都源于同一个基因——G蛋白偶联受体45 (G protein-coupled receptor 45, Gpr45) 的不同错义突变。expansive品系的突变导致GPR45蛋白第214位的丝氨酸变成了脯氨酸 (S214P)，而extensive品系的突变则在第287位，将酪氨酸变成了半胱氨酸 (Y287C)。
+ v/ D2 ]/ I0 @' ~. x为了证实GPR45基因的缺失确实是导致肥胖的元凶，研究人员直接构建了GPR45基因完全敲除的小鼠。结果不出所料，这些敲除小鼠从第6周开始就表现出显著的体重增加。到了12周龄时，它们的平均体重飙升至约45克，而正常小鼠仅为30克左右，体重差异高达50%。解剖后发现，敲除小鼠的身体脂肪，无论是腹部的附睾白色脂肪 (eWAT) 还是腹股沟的皮下白色脂肪 (iWAT)，都显著增多，脂肪细胞也变得异常肥大。; j' R3 c4 j8 [' z! ~; t; C
更严重的是，这些肥胖小鼠还出现了一系列代谢综合征的症状。它们的空腹血糖水平显著升高，并表现出明显的葡萄糖不耐受和胰岛素抵抗，这都是2型糖尿病的前兆。此外，它们的肝脏也变得又大又白，充满了脂肪堆积，形成了严重的脂肪肝。这些证据强有力地证明，GPR45基因的功能缺失，是导致这一系列肥胖及相关代谢疾病的根本原因。, _0 Z6 M- _  \) i% o' f( A3 |
追根溯源：是吃得太多，还是动得太少？
+ Z; W9 H* F8 h; z: U( ^找到了致病基因，接下来的问题是：GPR45的缺失究竟是如何导致肥胖的？是因为小鼠吃得太多（能量摄入过多），还是因为它们活动减少或新陈代谢变慢（能量消耗减少）？& Z. B& Y# V0 z. e" r# r$ m, Y
为了解答这个问题，研究人员将GPR45敲除小鼠和正常小鼠放进了代谢笼 (metabolic cage) 中进行24小时不间断监测。结果清晰地显示，GPR45敲除小鼠的食物摄入量 (food intake) 显著高于正常小鼠。在为期三天的监测中，它们的日均食物摄入量比正常小鼠高出近30%。
/ x, F0 G: a, l% F1 }0 _; q而在能量消耗方面，无论是总的能量消耗（产热），还是精细活动、移动和爬行等身体活动，两组小鼠之间都没有显著差异。这表明，GPR45敲除小鼠的肥胖，其根源在于“管不住嘴”，即食欲过盛 (hyperphagia)。  W5 f2 ]. ~9 B) q1 i. x) Q
为了提供决定性的证据，研究人员进行了一项巧妙的配对喂养 (pair-feeding) 实验。他们给GPR45敲除小鼠提供与正常小鼠完全相同数量的食物，不多也不少。奇迹发生了！经过三周的配对喂养，敲除小鼠的体重完全恢复到了正常水平，与对照组几乎没有差别。它们的肥胖、高血糖和脂肪肝等问题也全部得到了逆转。
1 y" E- T! i8 S% T2 L- T' H这个实验证明了GPR45基因的功能，正是通过抑制食物摄入来维持能量平衡的。它的缺失直接导致了食欲失控，而食欲失控是导致肥胖的直接原因。# @* f% ~/ e) m
精准定位：锁定GPR45的“犯罪现场”. V2 i) ~) M! X, P
既然GPR45的功能如此重要，那么它到底在大脑的哪个具体位置、哪一类神经元中发挥作用呢？
/ x# `3 o* |" N# b" {研究人员首先检测了GPR45在小鼠全身组织中的表达情况。结果显示，GPR45的信使RNA (mRNA) 几乎只在大脑中高水平表达，而在心脏、肝脏、肌肉等其他外周器官中几乎检测不到。这说明GPR45是一个高度特异性的脑源性蛋白。: B. Y& d" s7 C( n1 k
随后，他们将大脑进一步细分为不同区域。结果发现，在大脑内部，GPR45的蛋白表达水平在下丘脑 (hypothalamus) 中最高，而在大脑皮层、海马体、小脑等区域则低得多。这与我们之前提到的下丘脑是能量平衡中枢的背景知识完美契合。在下丘脑内部，通过原位杂交技术，研究人员进一步将GPR45的表达精准定位到了室旁核 (PVH)，而在弓状核 (ARH) 的POMC神经元中则没有明显的富集。5 m  q6 u8 y' |0 _+ w! d- x
为了在功能上验证这一定位，研究人员使用了遗传学“手术刀”——Cre-LoxP系统，在特定类型的神经元中敲除GPR45。
( w% t  B, e3 W/ U当他们在抑制食欲的POMC神经元或促进食欲的AgRP神经元中敲除Gpr45时，小鼠的体重和食量均未发生任何变化。然而，当他们在室旁核 (PVH) 的神经元（使用Sim1-Cre工具鼠）或表达MC4R的神经元（使用Mc4r-Cre工具鼠）中敲除Gpr45时，小鼠无一例外地出现了与全身性敲除小鼠相似的肥胖表型。& s$ T* l3 |. d4 m. D4 J1 @
为了排除发育过程中Cre工具鼠可能带来的潜在影响，研究人员还采用了更为精准的病毒立体定位注射 (stereotaxic injection) 技术。他们将能表达Cre重组酶的腺相关病毒 (AAV-Cre) 直接注射到成年小鼠的室旁核 (PVH) 中，从而实现局部、成年的基因敲除。结果，在注射两周后，这些小鼠的体重就开始显著增加，7周后，它们已经变得明显肥胖，脂肪量和瘦体重都远超注射了无功能病毒的对照组。
9 n& _& R, y' }7 s所有这些证据都指向一个结论：GPR45正是在下丘脑的室旁核 (PVH) 这个食欲调控的最终决策中心，发挥着其至关重要的作用。6 e. z( C8 Y* v; [  u$ H
惊人的发现：GPR45不是“接收器”，而是“快递员”！; B! b( A, L1 X% B! K- M
至此，我们已经知道GPR45在何时（成年期）、何地（PVH）以及如何（通过抑制食欲）影响体重。但最核心的科学问题仍然悬而未决：在细胞内部，GPR45究竟做了什么？
% r1 t% z( u( T8 L8 h! ^8 P研究人员首先探究了GPR45在细胞内的亚细胞定位。通过荧光标记，他们发现在培养的下丘脑神经元细胞和肾脏来源的IMCD3细胞中，GPR45蛋白并非均匀分布在细胞膜上，而是专门地、唯一地定位于我们前面提到的那个微小结构——初级纤毛 (primary cilia) 上。在Gpr45-GFP基因敲入小鼠的脑切片中，研究人员也观察到了同样的现象：在室旁核 (PVH) 神经元中，GPR45的绿色荧光信号与纤毛的标志物（如ADCY3）完美地重叠在一起，形成了一个个明亮的“天线”。* p' ?7 d; G9 e( ~0 w2 v6 y5 v5 Z
这一发现解释了为什么GPR45的突变会与“纤毛病”的症状如此相似。但一个更大的谜团随之而来。GPR45属于G蛋白偶联受体 (GPCR) 家族，这类受体通常的工作模式是：在细胞外接收信号（如激素），然后激活细胞内的G蛋白 (G protein)，从而启动下游的信号通路。
, I& K$ }+ n& s+ C  M: A8 N然而，GPR45的行为却完全不符合常理。当研究人员在细胞中过表达GPR45时，他们发现GPR45强烈地与一种名为Gαs的G蛋白亚基结合。Gαs正是MC4R激活下游ADCY3、产生cAMP信号所需要的那种G蛋白。更令人震惊的是，过表达GPR45之后，原本散布在细胞质中的Gαs蛋白，竟然像被磁铁吸引的铁屑一样，几乎全部被“运输”到了初级纤毛中！
! I% k+ U& K. t) a, Z- i# ~在正常细胞中，只有一小部分纤毛（约占总数的48%）能检测到Gαs的存在。然而，在Gpr45敲除小鼠的室旁核中，这个比例骤降至不足15%。这表明，GPR45的主要功能，竟然是将Gαs蛋白从细胞质中“搬运”到初级纤毛里！' T1 g, h- ]. f- W1 f
这是一种非典型的、前所未见的GPCR功能。GPR45不像一个等待信号的“接收器”，反而更像一个高效的“快递员”或“货物转运蛋白”。它的工作不是启动信号，而是为真正的信号接收器——MC4R，准备好必需的“信号工具”（Gαs）。. d& f- m1 y) o# L

' A8 e5 v- ~. q4 F3 X拼上最后一块版图：GPR45、Gαs和MC4R的协同作战
! ]& j. M; I. m5 S现在，所有的线索终于可以汇集到一起，构成一幅完整的图景。! a) b+ {1 D1 G
1. GPR45是“快递员”：它驻扎在室旁核神经元的初级纤毛上，其核心任务是源源不断地将细胞质中的Gαs蛋白“快递”到纤毛这个狭小的空间内，建立一个Gαs的“储备库”。
& b3 q/ ]+ p. X2 T( ]$ t2. MC4R是“指挥官”：它同样位于纤毛上。当来自弓状核的“饱腹”信号（α-MSH）传来时，MC4R需要Gαs这个工具来激活下游的“信号工厂”ADCY3。
: n) D; ]& s, n1 Y5 D# i3. Gαs是关键“工具”：只有当GPR45将足量的Gαs运送到位，MC4R才能高效地工作，激活ADCY3产生cAMP，从而向细胞下达“饱了”的指令。. Z; @# ^7 C  ], X7 d& p
研究人员通过实验完美地验证了这个模型。在培养的细胞中，单独表达MC4R并不能显著增加纤毛内的cAMP水平。然而，当同时表达MC4R和GPR45时，纤毛内的cAMP水平急剧飙升，其效果甚至堪比直接用药物（α-MSH）强烈刺激MC4R。这说明GPR45提供的Gαs，极大地增强了MC4R的基础活性。
: k' ]9 f% g8 n, X最关键的遗传学证据来自双基因敲除小鼠。研究人员将Gpr45敲除小鼠与一种Adcy3基因功能缺陷（同样导致肥胖）的小鼠进行杂交。如果GPR45和ADCY3在两条不同的信号通路中工作，那么双重打击应该会导致更严重的肥胖。然而结果是，Gpr45和Adcy3双突变小鼠的肥胖程度，与单独的Gpr45或Adcy3突变小鼠相比，并没有任何加重。 这在遗传学上证明，GPR45和ADCY3处于同一条线性的信号通路中，GPR45的作用，最终就是为了服务于ADCY3的激活。
, S- W# B% T* W1 j8 u. z最后，回到最初发现的两个肥胖突变——expansive (S214P) 和 extensive (Y287C)。研究人员发现，这两个突变虽然不影响GPR45蛋白的稳定性或其与Gαs的结合能力，但它们都彻底破坏了GPR45定位到初级纤毛的能力。突变的GPR45蛋白被困在了细胞质里，无法到达“工作岗位”。因此，它们也就无法将Gαs“快递”到纤毛中，整个信号链从源头上就被切断了，导致了与基因完全敲除一样的严重后果。
" O$ [, a& b0 J. `. A5 y8 ?为抗击肥胖打开一扇新窗
, G5 ?/ W  f# }8 g) c这项研究如同一部精彩的科学侦探小说，从一个宏观的肥胖现象出发，通过层层递进的证据，最终在分子和细胞器水平上揭示了一个全新的食欲调控机制。
: ~6 E8 o# k+ [/ i6 }它告诉我们，GPR45是下丘脑室旁核神经元初级纤毛上的一个关键“门卫”或“转运蛋白”。它通过一种非经典的方式，负责将Gαs信号蛋白运输到纤毛中，为MC4R介导的饱腹感信号的产生提供必要的分子基础。这种在特定亚细胞结构（纤毛）内维持局部信号分子池的机制，为我们理解大脑如何进行精细、高效的信号处理提供了全新的视角。
& o0 z% Q- \# |9 N2 I. F这一发现的意义远不止于满足我们的好奇心。G蛋白偶联受体 (GPCR) 家族是现代药物研发中最重要的靶点家族之一，目前市面上约有三分之一的药物都作用于GPCR。GPR45作为一个与肥胖直接相关的、高度特异性表达于大脑食欲中枢的GPCR，无疑是一个极具吸引力的抗肥胖药物靶点。
) E6 h1 K) |$ e0 K9 q/ |人类的GPR45蛋白与小鼠的版本有着高达89%的序列同源性，其功能很可能在物种间是保守的。这意味着，未来或许可以开发出一种小分子药物，通过激活或增强GPR45的“快递”功能，提高纤毛内Gαs的水平，从而增强大脑自然的饱腹感信号，帮助人们在与饥饿的斗争中占据更有利的位置。
/ P1 y$ u0 k3 `! l1 o$ @1 L; b& A6 |当然，从基础研究到临床应用还有很长的路要走。但毫无疑问，这项工作为我们理解和对抗全球性的肥胖危机，打开了一扇充满希望的新窗户。它提醒我们，在我们身体的每一个微小角落，都可能隐藏着解决重大健康问题的关键钥匙。" @2 y& G4 L# Y* c& k