大脑下丘脑区域发展出了一个复杂的神经调节网络，用于协调食物摄入和能量平衡的控制。这个系统能够感知体内储存的能量量，并相应地调整食物摄入和能量消耗，使体重和体温在一段时间内保持相对恒定。在负能量平衡条件下，通过下丘脑回路启动了一系列行动，开启了节能途径，从而减少了能量消耗。同样，觅食和食物摄入途径也被强烈刺激。这些过程的首要调节器是下丘脑中的神经肽Y（NPY）神经元。特别是，ARC（弓状核）中的NPY在负能量平衡下会显著上调，并且长期向ARC注射NPY，结合自由进食，会导致食物摄入量大增和能量消耗减少，最终导致肥胖的发展。在正能量平衡条件下，ARC中的NPY水平降低，但奇怪的是，这些较低量的NPY似乎仍能驱动进食，原因尚不明了。
澳大利亚圣文森特医院加文医学研究所的专家们在这一领域取得了较大进展。他们提出，在能量过剩的条件下，当ARC中的NPY水平通常下降时，POMC神经元上的高亲和力NPY2R受体仍能驱动食物摄入并通过主要从Agrp阴性NPY神经元释放的NPY增强肥胖的发展。研究成果以“Agrp-negative arcuate NPY neurons drive feeding under positive energy balance via altering leptin responsiveness in POMC neurons”为题，发表在Cell Communications（IF：31.373）上。
1.下丘脑弓状核（ARC）中神经肽Y神经元中Agrp阴性的比例
研究使用了Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠，这是一种独特的小鼠模型，以确保仅从AGRP神经元中删除了Npy。在对这些小鼠进行染色质基因法和荧光RNAScope法的检查中，研究者观察到在控制组中（Agrpcre/+;Npylox/+小鼠）的ARC中存在大量NPY/AGRP神经元，其中一部分NPY阳性神经元却不表达Agrp。更为关键的是，Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠的ARC中仍存在Npy阳性神经元，但这些神经元不表达Agrp mRNA，验证了它们是一群与Agrp无关的独立的NPY神经元。为了量化这一Agrp阴性的NPY神经元群体相对于总NPY神经元的比例，研究者使用了放射性探针对小鼠ARC进行了原位杂交。结果显示，在Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠中，ARC中的Npy mRNA水平仅为Agrpcre/+;Npylox/+小鼠的20%左右。此外，当小鼠经历24小时禁食后，Agrpcre/+;Npylox/lox和Agrpcre/+;Npylox/+小鼠的ARC中Npy mRNA表达均显著增加，但Agrpcre/+;Npylox/lox小鼠的增加百分比明显高于Agrpcre/+;Npylox/+小鼠，这表明Agrp阴性的NPY神经元对能量不足的响应更为强烈。
2.能量状态的变化不同地改变了Agrp-阳性与Agrp-阴性NPY神经元的平移轮廓
这项研究通过使用TRAP技术，探究了下丘脑弓状核（ARC）中Agrp阳性和Agrp阴性的NPY神经元在禁食和不同能量平衡条件下的蛋白质合成差异。研究者利用Npycre/+和Agrpcre/+小鼠与(Rosa26lSlrSrEGFPL10a)小鼠交叉，生成了NpyCre/+;ROSA26lSlrSrEGFPL10a小鼠（简称为NpyTRAP）和AgrpCre/+;ROSA26lSlrS-rEGFPL10a小鼠（简称为AgrpTRAP）。在进行为期24小时的禁食后，使用TRAP-seq技术对这两个小鼠模型中的NPY神经元进行核糖体结合RNA的分析，并与自由摄食条件下的NpyTRAP小鼠进行比较。
研究发现，禁食导致NPY和AGRP两个群体中1,532个基因发生显著改变，其中Npy mRNA的活跃转录在两个群体中均显著上调，而Agrp mRNA的活跃转录仅在AGRP群体中上调。有趣的是，在这些基因中，只有4%在两个群体中呈相同的变化趋势，突显了Agrp阳性和Agrp阴性的NPY神经元在ARC中的多样性。另外，有8%的基因在总体NPY群体中显著上调或下调，但在AGRP群体中未发生改变，这可能代表了Agrp阴性的NPY神经元的特定基因。
研究进一步通过分子技术验证了Agrp阴性的NPY神经元中与食物摄入相关的基因（如Gaa和Timp2）的显著上调。在不同能量平衡条件下，研究者观察到Agrp阴性和Agrp阳性的NPY神经元对细胞表面受体的翻译水平有不同的响应，特别是在正能量平衡条件下，Agrp阴性NPY神经元中NPY的活跃转录水平显著上调，同时Lepr（瘦素受体）的表达水平下调，表明Agrp阴性的NPY神经元可能在正能量平衡条件下更为活跃，从而促进由这些神经元释放的NPY引发的进食行为。
3.Agrp阴性NPY神经元能够推动食物摄入
研究者使用了一种新的激活型DREADD载体（AAV-hSyn-CreonFlpoff-hM3Dq-EYFP），注入到Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的弓状核（ARC）中。该载体只在Agrp阴性的NPY神经元中表达，经过CNO处理后，通过免疫组化评估了黄色荧光蛋白（YFP）和Fos的共染色，证实了其正确注射和功能激活。在正常摄食条件下，CNO刺激Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的ARC，显示了与生理盐水相比稍微增加的进食趋势。然而，在禁食条件下，CNO刺激导致Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的食物摄入显著增加。有趣的是，在高脂饮食条件下，CNO处理的小鼠显示了明显增加的食物摄入，尤其是在禁食后，表现出更大的食欲增加。这表明Agrp阴性的NPY神经元对正能量平衡条件下的食物摄入有更强烈的反应。相反，在空载体注射的对照小鼠中，CNO处理对食物摄入没有显著影响。对于能量消耗方面，CNO刺激未影响正常摄食条件下Agrpflp/+;Npycre/+小鼠的能量消耗。然而，在禁食后的再饮食条件下，能量消耗显著增加。在高脂饮食条件下，CNO刺激表现出能量消耗的趋势性增加，而在禁食后的再饮食条件下则没有明显改变。在运动活动方面，CNO处理仅在高脂饮食条件下表现出轻微增加的趋势，而在其他条件下没有明显效应。
4.Agrp阴性NPY神经元主要投射到ARC POMC神经元
通过使用表达光敏通道蛋白（ChR2）的病毒载体，研究人员发现Agrp正性NPY神经元广泛分布于下丘脑以及其他额外的下游神经核，而Agrp负性NPY神经元具有更为局部的投射模式，主要集中在下丘脑弓状核（ARC）附近。这种局部的投射模式表明Agrp负性NPY神经元可能主要与附近的神经群体发生相互作用，特别是与POMC神经元的相互作用引起了研究者的关注。免疫组化和分子分析证实，Agrp负性NPY神经元与ARC中表达POMC的神经元之间存在广泛的联系。为了在功能上验证这一相互作用，研究者使用了一种刺激性的DREADD载体，以选择性地激活Agrp负性NPY神经元。激活这些神经元后，研究发现它们能够影响POMC神经元中cAMP响应元件结合蛋白（CREB）的磷酸化。具体而言，通过使用forskolin诱导提高cAMP水平，POMC神经元的pCREB活性显著增加，当同时激活Agrp负性NPY神经元时，这种增加显著降低。进一步的实验中，使用选择性拮抗剂显示，NPY2R受体而非NPY1R在介导Agrp负性NPY神经元来源的NPY对POMC神经元信号传导的影响中起主导作用。这一发现表明Agrp负性NPY神经元通过NPY2R受体信号传导直接而特异地影响POMC神经元的活性。
5.Npy2r的表达在肥胖条件下被上调，特别是在POMC神经元中
研究采用了TRAP-seq技术（Translating Ribosome Affinity Purification and RNA sequencing），通过这一方法能够选择性地分离和研究Agrp-negative NPY神经元的转录水平。研究发现，在POMC神经元中，Npy2r mRNA的活跃转录在不同能量状态下表现出明显的变化。在能量过剩条件下，Npy2r mRNA的活跃转录显著上调，而这种上调在HFD（高脂饮食）条件下更为显著。与Npy2r相似，Lepr（瘦素受体）的转录水平也在HFD条件下显著上调。研究还发现这种变化可能与肥胖相关，因为与肥胖相关的小鼠模型以及HFD喂养的小鼠均显示出POMC神经元中Npy2r mRNA的适应性上调。这些发现表明Npy2r在POMC神经元中的表达水平对于能量平衡和肥胖的调控可能具有重要作用。
6.POMC神经元中缺乏Npy2r导致食物摄入量和脂肪量减少
作者通过创建PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠模型，探究了NPY2R信号在POMC神经元中对能量平衡的功能贡献。结果显示，在标准饲料和高脂饮食条件下，雄性PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠在体重和体重增加方面与Npy2rlox/lox对照小鼠无显著差异。然而，在高脂饮食条件下，PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠显示出明显减少的脂肪质量增加，而瘦体质量和骨体质量无显著变化。此外，这一趋势在雌性小鼠中也得到了证实。缺乏POMC神经元中NPY2R信号对葡萄糖代谢没有明显影响。代谢分析显示，PomcCre/+;Npy2rlox/lox小鼠在标准饲料条件下的代谢参数与对照组无显著差异，但在高脂饮食条件下，缺乏NPY2R信号的小鼠表现出明显降低的自发性进食和能量消耗。这些结果表明NPY2R信号在POMC神经元中在能量摄入过剩条件下对于调节进食和脂肪堆积具有显著作用。
7.缺乏NPY2R信号改变了POMC神经元表达概况
研究发现，在暴露于高脂饮食（HFD）条件下，POMC神经元中Npy2r和Lepr的mRNA翻译都上调，暗示这两个信号通路之间存在密切的功能互动。进一步研究表明，HFD导致这两个基因的总mRNA表达也显著增加。缺乏POMC神经元中的Npy2r影响Lepr的上调，提示Npy2r在POMC神经元中的缺失可能影响Lepr信号传导，尤其在饮食依赖的情况下。此外，缺乏Npy2r导致POMC神经元中Pomc mRNA的降低，对HFD的反应也发生变化。这些发现表明Npy2r在POMC神经元中对于饮食调控和基因表达适应起到了重要的作用。
8.POMC神经元中的瘦素反应性取决于NPY2R信号传导
为了研究在不同能量状态下POMC神经元中NPY2R信号的主要功能，研究人员使用了不同能量状态下的POMC神经元的翻译后mRNA水平。他们观察到，HFD条件下，POMC神经元中NPY2R和Lepr mRNA的翻译均显著上调，表明这两个信号通路之间存在密切的功能相互作用。在HFD条件下，POMC神经元中NPY2R的缺失并未改变Lepr基因的基础表达，但抑制了Lepr mRNA在HFD条件下的上调。此外，NPY2R缺失还显著降低了POMC mRNA的表达水平。这表明，在POMC神经元中，NPY2R的缺失可能通过多种方式影响能量平衡和代谢调控。与此同时，研究人员发现NPY2R缺失保护了POMC神经元对leptin的敏感性，特别是在HFD条件下，这有助于保持这些神经元更强的厌食作用。
总结：
这篇文章研究了在正能量平衡条件下，Agrp-阴性的弓状核NPY神经元通过改变下丘脑POMC神经元对Leptin的响应来推动摄食的机制。研究发现，尽管在正能量平衡时ARC NPY水平降低，但这些较低水平的NPY仍然能够通过影响Leptin在POMC神经元上的响应来促使进食。这提供了对大脑中能量平衡调控机制的进一步理解，特别是在正能量平衡时，Agrp-阴性的弓状核NPY神经元在食物摄入调控中的重要作用。