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微量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序揭示檳榔堿、咖啡因和尼古丁對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄水平的作用
檳榔、咖啡和煙草的主要活性成分分別為檳榔堿（arecoline）、咖啡因（caffeine）和尼古丁（nicotine），這些物質(zhì)通過(guò)影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生不同的生理效應(yīng)，但目前對(duì)其神經(jīng)機(jī)制的研究有限，尤其是它們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的相似性和差異性尚不清楚。伏隔核（nucleus accumbens, NAc）是獎(jiǎng)賞回路中的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，在調(diào)節(jié)獎(jiǎng)賞、愉悅和動(dòng)機(jī)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并且在對(duì)藥物刺激的反應(yīng)中顯著參與。尼古丁通過(guò)激活大腦中的多巴胺系統(tǒng)影響?yīng)勝p和動(dòng)機(jī)路徑，咖啡因通過(guò)多種機(jī)制增強(qiáng)多巴胺活性，而檳榔堿作為一種強(qiáng)效的毒蕈堿激動(dòng)劑，能迅速穿過(guò)血腦屏障，引發(fā)一系列副交感神經(jīng)系統(tǒng)效應(yīng)。盡管這三種物質(zhì)都被認(rèn)為具有神經(jīng)刺激作用，但它們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的具體作用機(jī)制和成癮潛力仍不明確。
近日，海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院周非凡教授團(tuán)隊(duì)研究了檳榔堿、咖啡因和尼古丁三種精神活性物質(zhì)對(duì)小鼠伏隔核（nucleus accumbens, NAc）轉(zhuǎn)錄水平的影響，并通過(guò)行為實(shí)驗(yàn)比較其作用。研究使用微量RNA測(cè)序（Smart-seq2/scRNA-seq）技術(shù)分析基因表達(dá)，并結(jié)合行為測(cè)試和神經(jīng)免疫組化方法，從轉(zhuǎn)錄和行為層面探討這些物質(zhì)的效應(yīng)。相關(guān)研究成果以“Comparative effects of arecoline, caffeine, and nicotine on transcription level in the nucleus accumbens of mice”為題發(fā)表在《Genomics》期刊。
研究方法
1. 動(dòng)物模型：使用6-8周齡的C57BL/6J小鼠，分為藥物組和對(duì)照組，通過(guò)腹腔注射給予不同劑量的檳榔堿（0.5 mg/kg）、咖啡因（10 mg/kg）、尼古�。�0.5 mg/kg）或等體積的生理鹽水。
2. RNA-seq測(cè)序：在條件性位置偏愛(ài)實(shí)驗(yàn)（Conditioned Place Preference, CPP）完成后，提取小鼠NAc組織，進(jìn)行RNA提取、文庫(kù)構(gòu)建和測(cè)序分析。
3. 行為測(cè)試：包括曠場(chǎng)試驗(yàn)和CPP測(cè)試，評(píng)估小鼠的活動(dòng)性和對(duì)藥物的偏愛(ài)。
4. 免疫熒光染色：檢測(cè)ΔFosB在NAc的表達(dá)，作為成癮標(biāo)記。
結(jié)果圖形
（1）基因表達(dá)和生物過(guò)程變化
圖1：NAc中的差異表達(dá)基因（DEGs）和基因本體（GO）富集分析。
A. NAc樣本的基因組reads分布；
B. NAc中的DEGs數(shù)量；
C. DEGs的維恩分析；
D. 三組中31個(gè)共有DEGs的熱圖；
E-G. 檳榔堿（E）、咖啡因（F）和尼古�。℅）組的前20個(gè)GO生物學(xué)過(guò)程；
H. SynGO生物學(xué)過(guò)程富集分析。
（2）與神經(jīng)系統(tǒng)和物質(zhì)依賴相關(guān)的通路變化
B. 與神經(jīng)系統(tǒng)和物質(zhì)依賴相關(guān)的DEGs的維恩分析；
C-E. 檳榔堿（C）、咖啡因（D）和尼古丁（E）組中富集的關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)和物質(zhì)依賴通路；
F. 三組中可卡因成癮通路的DEGs維恩分析。
（3）與神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)的基因表達(dá)變化
D-F. 檳榔堿（D）、咖啡因（E）和尼古�。‵）組中DEGs火山圖；
G. 神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)基因熱圖（橙色：上調(diào)，紫色：下調(diào)，*P < 0.05 且 |log2FC| > 1）。
（4）不同精神活性物質(zhì)對(duì)小鼠行為和ΔFosB的影響
圖4：行為和免疫熒光變化特征。
A. 條件性位置偏愛(ài)（CPP）實(shí)驗(yàn)方案；
B. CPP得分（后測(cè)減去前測(cè)；測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，1200秒；n=9-12）；
C-E. 曠場(chǎng)試驗(yàn)中的總距離（C）、活動(dòng)次數(shù)（D）和活躍時(shí)間（E）；
F. 伏隔核（NAc）位置示意圖；
G. CPP后測(cè)后，用ΔFosB染色的小鼠NAc腦切片的代表性圖像（紅色：ΔFosB；藍(lán)色：DAPI）；
H. 通過(guò)ΔFosB+熒光定量檢測(cè)NAc中ΔFosB+細(xì)胞數(shù)量（n=4）。
易小結(jié)
本研究通過(guò)微量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（Smart-seq2）分析等揭示了檳榔堿、咖啡因和尼古丁均能影響小鼠NAc的基因表達(dá)，但它們的作用機(jī)制和對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的潛在成癮性存在差異。尼古丁對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和物質(zhì)依賴相關(guān)功能影響最為顯著，而檳榔堿的影響最小�？Х纫蚝湍峁哦≡谡{(diào)節(jié)突觸可塑性方面具有更顯著的作用，這可能是它們成癮潛力較高的原因。行為測(cè)試結(jié)果支持尼古丁具有較高的成癮潛力，而檳榔堿和咖啡因的成癮潛力相對(duì)較低。
研究亮點(diǎn)
參考文獻(xiàn)：
Huang S, Wang X, Zhou F. Comparative effects of arecoline, caffeine, and nicotine on transcription level in the nucleus accumbens of mice. Genomics. 2025 Jan 4;117(2):110986. pii: S0888-7543(25)00002-3. doi: 10.1016/j.ygeno.2025.110986. PubMed PMID: 39761763.
近日，海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院周非凡教授團(tuán)隊(duì)研究了檳榔堿、咖啡因和尼古丁三種精神活性物質(zhì)對(duì)小鼠伏隔核（nucleus accumbens, NAc）轉(zhuǎn)錄水平的影響，并通過(guò)行為實(shí)驗(yàn)比較其作用。研究使用微量RNA測(cè)序（Smart-seq2/scRNA-seq）技術(shù)分析基因表達(dá)，并結(jié)合行為測(cè)試和神經(jīng)免疫組化方法，從轉(zhuǎn)錄和行為層面探討這些物質(zhì)的效應(yīng)。相關(guān)研究成果以“Comparative effects of arecoline, caffeine, and nicotine on transcription level in the nucleus accumbens of mice”為題發(fā)表在《Genomics》期刊。
研究方法
1. 動(dòng)物模型：使用6-8周齡的C57BL/6J小鼠，分為藥物組和對(duì)照組，通過(guò)腹腔注射給予不同劑量的檳榔堿（0.5 mg/kg）、咖啡因（10 mg/kg）、尼古�。�0.5 mg/kg）或等體積的生理鹽水。
2. RNA-seq測(cè)序：在條件性位置偏愛(ài)實(shí)驗(yàn)（Conditioned Place Preference, CPP）完成后，提取小鼠NAc組織，進(jìn)行RNA提取、文庫(kù)構(gòu)建和測(cè)序分析。
3. 行為測(cè)試：包括曠場(chǎng)試驗(yàn)和CPP測(cè)試，評(píng)估小鼠的活動(dòng)性和對(duì)藥物的偏愛(ài)。
4. 免疫熒光染色：檢測(cè)ΔFosB在NAc的表達(dá)，作為成癮標(biāo)記。
結(jié)果圖形
（1）基因表達(dá)和生物過(guò)程變化
圖1：NAc中的差異表達(dá)基因（DEGs）和基因本體（GO）富集分析。
B. NAc中的DEGs數(shù)量；
C. DEGs的維恩分析；
D. 三組中31個(gè)共有DEGs的熱圖；
E-G. 檳榔堿（E）、咖啡因（F）和尼古�。℅）組的前20個(gè)GO生物學(xué)過(guò)程；
H. SynGO生物學(xué)過(guò)程富集分析。
（2）與神經(jīng)系統(tǒng)和物質(zhì)依賴相關(guān)的通路變化
圖2：差異表達(dá)基因（DEGs）的KEGG富集分析。
A. KEGG二級(jí)分類注釋的條形圖；B. 與神經(jīng)系統(tǒng)和物質(zhì)依賴相關(guān)的DEGs的維恩分析；
C-E. 檳榔堿（C）、咖啡因（D）和尼古丁（E）組中富集的關(guān)于神經(jīng)系統(tǒng)和物質(zhì)依賴通路；
F. 三組中可卡因成癮通路的DEGs維恩分析。
（3）與神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)的基因表達(dá)變化
圖3：與神經(jīng)系統(tǒng)和物質(zhì)依賴通路相關(guān)的DEGs互作分析。
A-C. 檳榔堿（A）、咖啡因（B）和尼古�。–）組中DEGs互作網(wǎng)絡(luò)圖；D-F. 檳榔堿（D）、咖啡因（E）和尼古�。‵）組中DEGs火山圖；
G. 神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)基因熱圖（橙色：上調(diào)，紫色：下調(diào)，*P < 0.05 且 |log2FC| > 1）。
（4）不同精神活性物質(zhì)對(duì)小鼠行為和ΔFosB的影響
圖4：行為和免疫熒光變化特征。
B. CPP得分（后測(cè)減去前測(cè)；測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，1200秒；n=9-12）；
C-E. 曠場(chǎng)試驗(yàn)中的總距離（C）、活動(dòng)次數(shù)（D）和活躍時(shí)間（E）；
F. 伏隔核（NAc）位置示意圖；
G. CPP后測(cè)后，用ΔFosB染色的小鼠NAc腦切片的代表性圖像（紅色：ΔFosB；藍(lán)色：DAPI）；
H. 通過(guò)ΔFosB+熒光定量檢測(cè)NAc中ΔFosB+細(xì)胞數(shù)量（n=4）。
易小結(jié)
本研究通過(guò)微量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序（Smart-seq2）分析等揭示了檳榔堿、咖啡因和尼古丁均能影響小鼠NAc的基因表達(dá)，但它們的作用機(jī)制和對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的潛在成癮性存在差異。尼古丁對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和物質(zhì)依賴相關(guān)功能影響最為顯著，而檳榔堿的影響最小�？Х纫蚝湍峁哦≡谡{(diào)節(jié)突觸可塑性方面具有更顯著的作用，這可能是它們成癮潛力較高的原因。行為測(cè)試結(jié)果支持尼古丁具有較高的成癮潛力，而檳榔堿和咖啡因的成癮潛力相對(duì)較低。
研究亮點(diǎn)
- 全面的轉(zhuǎn)錄組分析：首次使用微量轉(zhuǎn)錄組Smart-seq2技術(shù)全面比較了檳榔堿、咖啡因和尼古丁對(duì)小鼠NAc轉(zhuǎn)錄水平的影響。
- 揭示神經(jīng)機(jī)制差異：明確了三種精神活性物質(zhì)在影響神經(jīng)系統(tǒng)方面的相似性和差異性，尤其是它們對(duì)突觸功能和物質(zhì)依賴相關(guān)通路的不同影響。
- 行為學(xué)證據(jù)：通過(guò)行為測(cè)試提供了尼古丁具有獎(jiǎng)勵(lì)效應(yīng)的直接證據(jù)，而檳榔堿和咖啡因則未顯示出類似效應(yīng)。
- 成癮標(biāo)記物分析：通過(guò)免疫熒光染色檢測(cè)了ΔFosB表達(dá)，為評(píng)估這些物質(zhì)的成癮潛力提供了分子層面的證據(jù)。
參考文獻(xiàn)：
Huang S, Wang X, Zhou F. Comparative effects of arecoline, caffeine, and nicotine on transcription level in the nucleus accumbens of mice. Genomics. 2025 Jan 4;117(2):110986. pii: S0888-7543(25)00002-3. doi: 10.1016/j.ygeno.2025.110986. PubMed PMID: 39761763.
標(biāo)簽：
微量轉(zhuǎn)錄組
- 時(shí)空組學(xué)研究進(jìn)展（三）：?jiǎn)渭?xì)胞RNA測(cè)序的應(yīng)用
- 微量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序揭示檳榔堿、咖啡因和尼古丁對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄水平的作用
- DAP-seq助力揭示蘋(píng)果轉(zhuǎn)錄因子MYB54調(diào)節(jié)細(xì)胞壁防御機(jī)制
- 基于dRRBS技術(shù)的精液DNA甲基化年齡預(yù)測(cè)：全基因組標(biāo)記鑒定和模型開(kāi)發(fā)
- 通過(guò)德?tīng)柗品ń＜夜沧R(shí)以確定用于干預(yù)研究的衰老生物標(biāo)志物及應(yīng)用
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