重度抑郁症（MDD）以及相关的心境障碍是一类常见的精神疾病。据世卫组织统计，世界上约有2.8亿人患有抑郁症。尽管慢性应激是重度抑郁症的一个主要风险因素，但人们对应激诱导抑郁症的分子机制仍知之甚少。选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）仍是许多抑郁症患者的首选疗法，但抗抑郁药物需要服用数周才能起效，而且缓解率低，这促使人们去寻找更直接的治疗靶点。

5-羟色胺（5-HT）又称为血清素，是一种重要的单胺类神经递质，广泛分布于中枢神经系统和外周组织。长期以来，人们一直认为5-HT调节一系列生理和行为功能，包括认识和情绪处理、自主神经活动和睡眠-觉醒周期等。尽管SSRI通过抑制5-HT转运体起到扰乱大脑内5-HT信号转导的作用，但目前仍不清楚血清素功能障碍本身是否会促进重度抑郁症的发展，也无法解释治疗药物促进症状缓解的机理。

近日，西奈山伊坎医学院领导的研究团队在分析小鼠模型和人类患者后发现，中缝背核中的组蛋白5-羟色胺化修饰（H3K4me3Q5ser）在应激介导的转录可塑性中发挥重要作用。这项研究成果于2024年6月13日发表在《Nature Communications》杂志上，突出了5-羟色胺在此过程中发挥不依赖神经传递的非经典作用，其结果对重度抑郁症的治疗有潜在意义。
 

图片来源：《Nature Communications》
（https://doi.org/10.1038/s41467-024-49336-4）

研究材料与方法
在这项研究中，研究人员首先通过慢性社交挫败应激（CSDS）实验建立了抑郁症小鼠模型。他们利用RNA-seq和ChIP-seq等方法分析了雌性和雄性小鼠以及抑郁症患者的中缝背核（DRN），研究应激暴露对H3K4me3Q5ser动态的影响。他们还构建了慢病毒载体（由赛业生物进行病毒包装）来降低DRN中的H3K4me3Q5ser水平，研究其对应激相关基因表达和行为的影响。

技术路线
01 构建雄性和雌性抑郁症小鼠模型，并评估应激易感小鼠的基因表达变化
02 分析应激易感小鼠及重度抑郁症患者DRN中的H3K4me3Q5ser水平
03 探索抗抑郁药物氟西汀是否会改变应激易感小鼠的H3K4me3Q5ser水平
04 分析H3 5-羟色胺化的下调是否可逆转应激介导的基因表达程序

研究结果
1 慢性社交应激导致DRN的基因表达发生变化
研究团队之前发现，5-羟色胺会对组蛋白进行表观遗传修饰（H3K4me3Q5ser），调节大脑的神经元转录程序。考虑到5-羟色胺主要在中缝背核（DRN）的神经元中合成，研究人员首先研究了慢性应激暴露对DRN中基因表达程序的影响。他们通过慢性社交挫败应激（CSDS）实验建立了抑郁症小鼠模型。雄性小鼠在CSDS后分成两组：应激易感组（stress-susceptible）和应激韧性组（stress-resilient）。

他们之后对易感组、韧性组和对照组小鼠的DRN组织开展了RNA-seq分析，然后进行差异表达分析。他们发现，易感小鼠与对照小鼠在转录本上有明显的分离模式（图1）。基因集富集分析表明，差异表达的基因主要集中在神经元发育通路、突触传递通路和精神疾病相关通路上。这些结果表明，雄性DRN中的应激易感基因表达程序（特别是被急性抑制的基因）可能与慢性应激暴露下观察到的神经和行为可塑性异常有关。

由于重度抑郁症的发病率和症状表现存在明显的性别差异，研究人员接下来研究了慢性应激（也就是挫败）的雌性小鼠DRN中的基因表达程序，以便与雄性小鼠的转录模型进行比较（图1）。在这个研究模式中，挫败的雌性小鼠对CSDS完全易感。后续分析表明，雌性挫败小鼠DRN中的基因表达程序似乎也与异常的神经和行为可塑性有关。
 

图1 雄性和雌性小鼠的慢性社交应激都导致DRN的基因表达发生变化^1]

2 DRN中的H3 5-羟色胺化在慢性应激后失调
之后，研究人员分析了可能导致转录变化的染色质相关机制。由于DRN中富含产生5-羟色胺的神经元，他们进一步探索了小鼠DRN中H3K4me3Q5ser的潜在调控。他们发现，应激易感小鼠与应激韧性小鼠在H3K4me3Q5ser水平上存在显著的差异，应激易感小鼠表现出明显的缺陷。同样地，雌性挫败小鼠的5-羟色胺化标记也出现下调。他们接着测定了重度抑郁症患者DRN中的H3K4me3Q5ser水平，以评估这些变化是否与临床相关。结果表明，在没有服用抗抑郁药物的重度抑郁症患者中，5-羟色胺化标记也下调。

为了评估H3K4me3Q5ser总体水平的改变是否与慢性应激暴露后的基因组调控模式相对应，研究人员对雄性和雌性小鼠DRN中的5-羟色胺化标记进行了ChIP-seq分析。他们评估了雄性和雌性应激小鼠之间富含H3K4me3Q5ser的蛋白编码基因，发现重叠基因同样集中在与神经元发育和突触调节相关的通路以及与精神疾病相关的疾病富集基因位点上。这些数据表明，慢性应激导致的H3K4me3Q5ser富集模式的改变与重度抑郁症相关的异常转录程序有显著关联。

3 抗抑郁药物治疗可逆转应激易感性
前面的数据显示，在服用抗抑郁药物的重度抑郁症患者中，H3K4me3Q5ser总体水平发生了改变，但在服用抗抑郁药物的患者以及对照中没有观察到这种效应。因此，研究人员探索了这种标记是否会同样响应小鼠的抗抑郁治疗。在为期10天的慢性社交挫败应激后，他们用抗抑郁药物氟西汀对小鼠进行30天的治疗，同时以水作为对照（图2）。社交互动测试显示，长期使用氟西汀治疗的易感小鼠明显逆转了之前观察到的缺陷。

同时，利用这种延长的时间轴（更好地反映应激易感状态的持续性），他们还观察到，在用水处理的应激易感小鼠的DRN中，H3K4me3Q5ser标记显著积累，这与之前观察到的标记总体下调趋势不同。在氟西汀治疗的应激易感小鼠中，这种积累明显减弱，标记水平与对照和应激韧性小鼠相当（图2）。这些数据表明，易感小鼠在慢性应激后对抗抑郁药物的行为反应与H3K4me3Q5ser水平的降低相对应，这表明抗抑郁药物介导的H3K4me3Q5ser下调也许在行为缺陷的缓解中起作用。
 

图2 慢性氟西汀治疗挽救了应激易感小鼠的行为缺陷^[1]

4 降低DRN中的H3 5-羟色胺化可促进应激韧性
接着，研究人员探索了预防性地降低DRN中的H3 5-羟色胺化是否可防止应激介导的基因表达程序。他们在雄性小鼠的DRN内注射了慢病毒载体（由赛业生物进行病毒包装），与H3.3 WT对照相比，H3.3Q5A降低了受影响位点的H3 5-羟色胺化水平。之后小鼠接受CSDS，结果表明对照小鼠的社交互动出现了显著缺陷，但H3 5-羟色胺化的降低减弱了CSDS诱导的社交回避行为，表明病毒介导的H3K4me3Q5ser下调足以促进慢性应激动物的行为韧性。

RNA-seq分析表明，H3.3Q5A转导明显逆转了应激诱导的基因表达谱。这些数据表明，H3 5-羟色胺化对于加强应激相关的转录异常模式非常重要，这些异常可能是导致行为缺陷的主要原因。此外，在应激易感小鼠中，因氟西汀暴露而显示H3K4me3Q5ser改变的基因与H3.3Q5A转导后差异表达的基因存在明显的重叠。这些数据表明，下调慢性应激小鼠DRN中的H3K4me3Q5ser足以逆转应激介导的转录程序并促进小鼠的行为韧性。

研究结论
总的来说，研究人员发现，慢性应激小鼠的DRN中显示出失调的H3K4me3Q5ser动态，而抗抑郁药物对这些动态的破坏足以减弱应激介导的基因表达和行为。在重度抑郁症患者服用或未服用抗抑郁药物的情况下，他们也观察到相应的H3K4me3Q5ser调节模式。这些结果确定了5-羟色胺在应激介导的转录和行为可塑性中发挥非经典的作用，并表明某些抗抑郁药物可能通过逆转H3 5-羟色胺化模式改变来发挥作用。

参考文献：
[1]Al-Kachak, A., Di Salvo, G., Fulton, S.L. et al. Histone serotonylation in dorsal raphe nucleus contributes to stress- and antidepressant-mediated gene expression and behavior. Nat Commun 15, 5042 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49336-4