Nat Med | 徐勇等揭示人类中5-HT2CR功能缺失突变可引发肥胖

五羟色胺 （5-Hydroxytrapotamine， 5-HT ） 又名血清素 （Serotonin） ，是中枢神经系统中单胺类神经递质之一。早在上世纪70年代，研究者们就注意到降低实验动物大脑中的五羟色胺会导致过度进食引发的肥胖 【1,2】 ，而增加脑内五羟色胺抑制进食 【3】 。进一步研究发现，中枢五羟色胺主要是通过作用于脑内五羟色胺2C受体 （5-HT_2CR） 从而起到调节食欲的作用 【4】 。在小鼠中敲除 5-HT_2CR会引起过度进食和肥胖 【5-7】 。基于此类研究，一款以5-HT_2CR为靶点的减肥药绿色卡林 （Lorcaserin，商用名：Belviq） 于2012年9月被美国食品药物管理局 （FDA） 授权用于治疗肥胖症。然而，一项历时5年的临床试验表明Lorcaserin存在潜在的致癌风险，尽管临床实验数据远没达到统计性差异，但基于收益与风险考量，FDA于2020年初要求制造商自愿从市场上撤下Belviq。因此，更好的理解5-HT_2CR功能变化与其在人类肥胖发生中的作用机理对开发新的以5-HT_2CR为靶点的肥胖症治疗药物至关重要。尽管大量的动物实验表明5-HT_2CR的功能缺失会导致肥胖发生，但是尚未有研究发现5-HT_2CR的功能缺失会导致人类肥胖发生的直接证据。

2022年12月19日，贝勒医学院徐勇课题组与剑桥大学Sadaf Farooqi课题组合作在Nature Medicine上发表题为 Human loss-of-function variants in the Serotonin 2C receptor associated with obesity and maladaptive behavior 的研究论文， 首次发现5-HT_2CR参与调节人类的食欲、体重和行为。

首先， 研究人员通过对2548名 （46% 男性，54% 女性） 严重肥胖症患者和1117名 （40%男性，60% 女性） 体重正常参与者进行外显子测序，发现在19名独立的肥胖症患者组中，编码5-HT_2CR的基因HTR2C存在13个罕见的突变。其中16名女性为杂合子 （Heterozygous） 突变携带者，而3名男性为半合子 （Hemizygous） 突变携带者 （编码5-HT_2CR的HTR2C基因位于X染色体） 。所有突变携带者均有过度进食、饱腹感受损和体重增加的病史，并且导致严重肥胖。19 名病患中有 8 名有学习困难或发育迟缓。对患者的纵向随访揭示了从儿童时期开始就存在广泛行为异常，包括情绪不稳定 （在没有明显触发因素的情况下经常爆发哭泣和/或攻击性行为） 和适应不良行为，特别是在社交环境中。

进一步，通过在HEK293细胞中转染带有突变的5-HT_2CR，研究人员首先发现，13个突变中的绝大多数都造成了一定程度的5-HT_2CR功能缺失。其中带有F372L突变体造成的功能障碍最为严重，具体包括：5-HT_2CR在细胞膜上的分布显著降低；抑制了5-HT_2CR被激活后的下游信号通路，如第二信使inositol triphosphate (IP₃) 的产生显著减少；还有5-HT_2CR对β-Arrestins蛋白的招募能力显著降低， 而此信号通路的激活对基因表达的调节至关重要。

为了确定5-HT_2CR功能缺失是否会导致肥胖，研究人员使用CRISPR-Cas9方法生成了敲入带有F327L突变体的小鼠。研究发现，相比于野生型小鼠，带有突变的雄性小鼠在普通食物喂养下就显示出了过度进食和明显的体重增加。而在高脂食物喂养下，带有突变的杂合子雌性小鼠和半合子雄性小鼠均出现过度进食，体重增长亦远超野生型小鼠。而突变小鼠的能量代谢水平与野生型小鼠相比没有显著区别。上述结果表明，F327L突变会引起过度进食从而引发肥胖。

早期研究表明，5-HT_2CR是通过下丘脑促黑皮质激素 （proopiomelanocortin，POMC） 神经元介导的黑皮质激素信号通路对进食产生影响 【8,9】 。因此研究人员测试了HTR2C突变对下丘脑POMC神经元兴奋性及其对5-HT_2CR激动剂Lorcaserin的反应的影响。研究发现在突变小鼠中，POMC神经元的本底放电频率显著降低、对Lorcaserin 的反应减弱。此外，Lorcaserin对进食的抑制作用在突变小鼠中也明显弱化。但突变并不影响瘦素 （Leptin） 对进食的抑制作用。这提示黑皮质素受体激动剂可用于治疗HTR2C突变导致的肥胖。

进一步，研究人员发现带有HTR2C突变的小鼠可基本重现与人类患者相似的异常行为表现，即社交水平降低、攻击行为增加以及难以适应新的环境等。

总的来说， 研究者们通过结合人类遗传学和转基因小鼠模型首次确定了编码5-HT_2CR的基因HTR2C突变会导致人类肥胖以及行为异常。该研究进一步发现了HTR2C突变导致肥胖的神经生物学机制。 因此，研究人员建议HTR2C应该被纳入严重儿童期发病肥胖的诊断基因组，并且提出黑素皮质素受体激动剂可能有效治疗携带HTR2C变异个体的严重肥胖。 研究为开发新的对抗肥胖的医学治疗提供了思路，提示今后人们仍然可以通过探索以5-HT_2CR为靶点的更安全和更有效的方法来治疗肥胖。

此研究的第一作者为徐勇教授组的何洋博士，Sadaf Farooqi教授组的 Bas Brouwers博士和徐勇教授组的刘鹤松博士为共同第一作者。徐勇教授与Sadaf Farooqi教授为共同通讯作者。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41591-022-02106-5

制版人：十一

参考文献

1. Breisch, S.T., Zemlan, F.P. & Hoebel, B.G. Hyperphagia and obesity following serotonin depletion by intraventricular p-chlorophenylalanine. Science (New York, N.Y.) 192, 382-385 (1976).

2. Saller, C.F. & Stricker, E.M. Hyperphagia and increased growth in rats after intraventricular injection of 5,7-dihydroxytryptamine. Science (New York, N.Y.) 192, 385-387 (1976).

3. Pollock, J.D. & Rowland, N. Peripherally administered serotonin decreases food intake in rats. Pharmacology, biochemistry, and behavior 15, 179-183 (1981).

4. Vickers, S.P., Clifton, P.G., Dourish, C.T. & Tecott, L.H. Reduced satiating effect of d-fenfluramine in serotonin 5-HT(2C) receptor mutant mice. Psychopharmacology 143, 309-314 (1999).

5. Heisler, L.K., Chu, H.M. & Tecott, L.H. Epilepsy and obesity in serotonin 5-HT2C receptor mutant mice. Annals of the New York Academy of Sciences 861, 74-78 (1998).

6. Nonogaki, K., Strack, A.M., Dallman, M.F. & Tecott, L.H. Leptin-independent hyperphagia and type 2 diabetes in mice with a mutated serotonin 5-HT2C receptor gene. Nature medicine 4, 1152-1156 (1998).

7. Tecott, L.H., et al. Eating disorder and epilepsy in mice lacking 5-HT2c serotonin receptors. Nature 374, 542-546 (1995).

8. Xu, Y., et al. 5-HT2CRs expressed by pro-opiomelanocortin neurons regulate energy homeostasis. Neuron 60, 582-589 (2008).

9. D'Agostino, G., et al. Nucleus of the Solitary Tract Serotonin 5-HT(2C) Receptors Modulate Food Intake. Cell metabolism 28, 619-630.e615 (2018).

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