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

腺苷酸環(huán)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(nèi)第二信使cAMP。迄今為止，哺乳動物體內(nèi)共發(fā)現(xiàn)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(fā)是大有前景和極具挑戰(zhàn)的工作。相對于其他AC亞型，對AC3在神經(jīng)系統(tǒng)的功能研究相對較晚。最初的研究發(fā)現(xiàn)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(lián)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(fā)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(fā)現(xiàn)AC3在整個中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的初級纖毛廣泛表達，并被作為中樞神經(jīng)元初級纖毛的標志物。AC3全身敲除小鼠出現(xiàn)對新物體的短期記憶減弱，環(huán)境條件恐懼記憶消失，并出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，不同于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和嗅覺感受器，AC3在軀體感覺感受器神經(jīng)元特別是DRG傷害感受器神經(jīng)元胞體大量表達。利用cre-loxp系統(tǒng)選擇性敲除DRG內(nèi)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(jīng)元電壓門控鉀通道電流（IA和IK）降低，神經(jīng)元興奮性增強。作為代償，AC3CKO小鼠DRG內(nèi)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(jīng)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(huán)化酶（ACs）是G蛋白耦聯(lián)受體（GPCRs）的效應器。阿片類藥物是一種常見的鎮(zhèn)痛藥物，可通過其相應G蛋白耦聯(lián)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(jīng)元活動，抑制傷害性行為反應。作為DRG神經(jīng)元主要表達的AC亞型，AC3是否參與介導阿片類藥物的鎮(zhèn)痛作用尚缺乏實驗證據(jù)。本研究結果顯示，AC3CKO導致κ阿片受體（KOR）介導的鎮(zhèn)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(zhèn)痛無影響。鞘內(nèi)給予Gαi/o蛋白抑制劑可完全阻斷KOR介導的鎮(zhèn)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(jīng)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(jīng)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(zhèn)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(yī)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(fā)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(yī)學神經(jīng)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。