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编号:10498527
摘除松果体对踏转轮运动昼夜节律及脑内c-fos表达的影响
http://www.100md.com 《苏州大学学报(医学版)》 2000年第7期
     作者:蒋星红 李金华 俞光第 印其章

    单位:苏州医学院神经生物学研究室,苏州,215007

    关键词:松果体;视交叉上核;昼夜节律;c-fos;踏转轮

    苏州医学院学报000703 摘要 目的 探讨松果体调节昼夜节律的作用机制。方法 在持续黑暗条件下,24h记录大鼠的踏转轮运动,观察其昼夜节律性变化,同时用免疫细胞化学方法,检测视交叉上核(SCN)中光诱导的Fos蛋白的表达。结果 摘除松果体后,踏转轮运动白天少黑夜多的昼夜节律消失,Fos蛋白表达减少;补充褪黑素后能使之恢复。褪黑素1(ML-1)受体拮抗剂Luzindole 也能使踏转轮运动的昼夜节律消失和Fos蛋白表达减少。而ML-2受体拮抗剂Prazosin则不能。结论 松果体通过分泌褪黑素作用于SCN中的ML-1受体,从而调节踏转轮运动的昼夜节律性。

    中图法分类号 R338.2
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    Effects of Pinealectomy on the Wheel-Running Circadian Rhythm and c-fos Expression in Suprachiasmatic Nucleus

    Jiang Xinghong,Li Jinhua,Yu Guangdi,et al

    (Laboratory of Neurobiology,Suzhou Medical College,Suzhou,215007)

    Abstract Objective To explore the mechanism of regulation of pineal body on circadian rhythm.Methods Under constant dark condition the wheel-running activity was recorded in rats during 24 h to examine the circadian change.The Fos protein expression in suprachiasmatic nucleus induced by illumination was examined immunocytochemically.Results After pinealectomy the wheel-running circadian rhythm,characterized by more activities in the subjective night than in the subjective day,disappeared and the Fos protein expression decreased.These effects of pinealectomy were recovered by administration of melatonin.The wheel-running circadian rhythm also disappeared and the Fos protein expression also decreased after injection of melatonin-1 receptor antagonist Luzindole,but that effects were not observed after injection of melatonin-2 receptor antagonist Prazosin.Conclusion The regulatory effect of pineal body on wheel-running circadian rhythm is mediated by the melatonin released,which,in turn,interacted with melatonin-1 receptor in suprachiasmatic nucleus.
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    Key words pinealectomy;suprachiasmatic nucleus;circadian rhythm;c-fos;wheel-running

    昼夜节律是机体适应环境的主要特征之一。对于哺乳动物来说,由视网膜、下丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)和松果体(pineal body)组成的光神经内分泌系统是产生昼夜节律的调节组构[1]。在这个组构中SCN是最重要的起搏器[2,3],控制着机体许多生理和行为节律。松果体是SCN的一个下属受控器官,它分泌褪黑素(melatonin,ML)具有明显的昼夜节律性[4,5]。有资料表明[6],ML作为内源性的授时因子,可经血运途径反馈作用于SCN,从而调节机体的昼夜节律活动。本实验以大鼠踏转轮运动昼夜节律和脑内c-fos表达为指标,探讨松果体调节昼夜节律的作用机制。

, 百拇医药     1 材料和方法

    1.1实验动物 成年雄性Wistar大鼠,体重180~200g,由苏州医学院实验动物中心提供。

    1.2 药品试剂 ML购自Sigma公司;Luzindole(ML-1受体拮抗剂,Sigma公司出品)由日本国昭和大学医学部第一生理学教室惠赠;Prazosin(盐酸呱唑嗪,ML-2受体拮抗剂)购自常州制药厂;Fos抗体及ABC Kit购自华美生物工程公司上海分公司。

    1.3 松果体切除(pinealectomy,PINX) 根据Hoffman和Reiter(1965)的切除方法,用水合氯醛(400 mg/kg,ip)麻醉大鼠后,将其置于脑立体定位仪上。以后囟为中心钻开颅骨,取下约3 mm直径的环形骨片,暴露横窦和矢状窦交汇处,其正下方为松果体。用镊子尖端刺破硬脑膜,迅速取出松果体,然后用明胶海绵填塞止血,将骨片重新盖上,缝合创口皮肤。术后将大鼠饲养于持续黑暗(dark-dark cycle,DD)条件下,1周后用于实验。作为对照的正常动物也在DD条件下饲养1周。
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    1.4 大鼠踏转轮运动记录 将饲养于DD条件下1周的PINX动物和正常对照动物,单独置于转轮笼中,分别记录给药前踏转轮运动的昼夜变化。方法是在DD条件下,用二道仪记录踏转轮运动,以2h内满运动量作为100%,并计算出2h 内实际运动的百分数。随后,对照组(n=12)中的6只动物给予Prazosin (0.25 mg/kg,ig),另外3只给Luzindole (10 mg/kg,sc) ; PINX组(n=8)中的6只动物给予melatonin (10 mg/kg,ig)。给药后,继续记录动物的踏转轮运动。最后进行给药前后或组间对比。

    1.5 Fos蛋白免疫细胞化学 在踏转轮运动记录结束后,进行免疫细胞化学的检测。在DD条件下,用MSIPS型声光刺激器(日本光电)光照刺激大鼠双眼15 min, 强度300 lx,1 Hz。光照结束1 h后,在麻醉下进行主动脉灌流、固定、取脑、冰冻切片[7]。根据Paxinos和 Watson(1982)大鼠脑图谱,选取厚40~60μm 含有SCN的脑片入1∶3500 Fos蛋白抗体12 h。PBS中浸洗2次,再转入1∶200羊抗兔抗体1 h ,经PBS 再洗后加入亲和素生物素试剂(1∶200)1 h ,最后加入0.01%二氨基联苯胺 (diaminobenzidine,DAB) 和0.03% H2O2 显色,PBS浸洗终止反应。脑片在贴片、风干、脱水、透明、封片后进行SCN内Fos免疫阳性细胞计数。
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    2 结果

    2.1 摘除松果体对踏转轮运动昼夜节律的影响 在DD条件下,对照组大鼠(n=12)踏转轮运动有明显的昼夜节律性,表现为主观白天运动少,主观黑夜运动多(附图)。这是在没有光照导引时动物体内的自激(free-running)节律。摘除松果体的大鼠(n=8),不仅主观黑夜有明显的运动,而且主观白天的运动也相当明显,昼夜节律基本消失(附图)。这时给予褪黑素可使昼夜节律恢复(附图)。结果表明,摘除松果体后大鼠踏转轮运动昼夜节律性的消失,很可能与松果体分泌褪黑素有关。
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    附表 持续黑暗条件下24h周期内大鼠踏转轮运动

    2.2 褪黑素受体拮抗剂对踏转轮运动昼夜节律性的影响 在DD条件下,踏转轮运动有明显昼夜节律的大鼠(n=3)在用Luzindole处理后,昼夜节律完全消失(附图)。但给Prazosin的大鼠(n=6)的踏转轮运动的昼夜节律基本不受影响(附图)。结果提示,褪黑素对大鼠踏转轮运动昼夜节律的影响是通过ML-1受体介导。

    2.3 摘除松果体对大鼠SCN中Fos蛋白表达的影响 在DD条件下,光照15min可诱导对照组动物脑内SCN中的Fos蛋白表达,Fos免疫阳性细胞主要位于腹外侧部。摘除松果体(PINX)后,光诱导SCN中的Fos免疫阳性细胞数明显下降(P<0.05)。PINX动物得到褪黑素补充后,光诱导的SCN中的Fos免疫阳性细胞数明显增多(P<0.05)(附表)。结果表明,摘除松果体后SCN中光诱导的Fos蛋白表达的减少,很可能与缺乏褪黑素有关。附表 光照诱导大鼠视交叉上核Fos蛋白表达
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    n

    Fos阳性细胞数

    对照组

    4

    93±18.68

    摘除松果体组

    4

    77±11.27*

    摘除松果体+ML组

    4

    107±19.90

    Luzindole组
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    2

    66±10.10*

    Prazosin组

    4

    96±13.85

    *与对照组相比,P<0.05;△与摘除松果体组相比,P<0.05

    2.4 褪黑素受体拮抗剂对大鼠SCN中Fos蛋白表达的影响 在DD条件下,光照15 min刺激后,经Luzindole处理的大鼠,脑内SCN中的Fos免疫阳性细胞数较对照组显著减少(P<0.05)。而用Prazosin处理的大鼠,光诱导的SCN中的Fos阳性细胞数与对照组相比,无显著差异(P>0.05)(附表)。结果提示,ML-1受体介导了SCN中光诱导的Fos蛋白表达。
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    3 讨论

    众所周知,SCN是哺乳动物最主要的昼夜节律起博器,它按照自已固有的自激节律去调节许多生理功能和行为的昼夜节律。本实验的行为研究表明,DD条件下大鼠踏转轮运动保持昼夜节律性,即主观白天运动少,主观夜间运动多。这一结果与以往对小鼠的研究结果[8]相一致。

    松果体是SCN所支配的器官。环境光照信号经SCN介导,通过多突触通路调控ML的合成和分泌,ML反过来又通过SCN中ML受体调节SCN的节律性[6]。尽管体内许多生理功能的昼夜节律主要决定于SCN的完整性[9],但松果体分泌的褪黑素对昼夜节律也有一定的调节作用。有文献报道,褪黑素能导引DD条件下自激的昼夜节律[4],也能导引移植SCN后所恢复的昼夜节律[10],还能诱导SCN中Fos蛋白的表达[11]。相反,摘除松果体由于失去了褪黑素的主要来源,血中褪黑素浓度的昼夜变化节律消失,SCN对外源性褪黑素敏感性的昼夜节律也消失[12]。本实验在DD条件下摘除松果体后大鼠踏转轮运动的昼夜节律消失,SCN中光诱导的Fos蛋白表达明显减少。这时补充褪黑素,便可使SCN中Fos蛋白表达量增加,踏转轮运动的昼夜节律也随之恢复。这一结果证明摘除松果体后踏转轮运动昼夜节律的消失,是由于缺少了褪黑素的缘故,而且很可能是通过SCN而发挥作用的。
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    下丘脑SCN存在褪黑素的结合位点,根据其结合的药理学特征,可分为高亲和性、低结合容量的褪黑素I型(ML-1)受体和低亲和性、高结合容量的褪黑素II型(ML-2)受体。我们在另一组实验中发现,褪黑素抑制SCN的自发放电是通过ML-1受体实现的。本实验中ML-1受体拮抗剂 Luzindole能使踏转轮运动的昼夜节律消失,使SCN中Fos蛋白表达减少,而ML-2受体拮抗剂Prazosin则无此作用。说明松果体是通过分泌褪黑素作用于SCN中的ML-1受体,从而调节大鼠踏转轮运动的昼夜节律。

    国家自然科学基金资助项目(No.39770246)

    参考文献

    1,Rorf HW.The pineal organ as a component of the biological clock.Ann N Y Acad Sci,1994,719∶13
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    2,Meijer JH,Rietveld WJ.Neurophysiology of the suprachiasmatic circadian pacemaker in rodents.Physiol Rev,1989,69∶671

    3,Moore RY.Organization and function of a central nervous system circadian oscillator:the hypothalamic suprachiasma-tic nucleus.Fed Proc,1983,42(11)∶2783

    4,Chan YS,Cheung YM,Pang SF.Rhythmic release pattern of pineal melatonin in rodents.Neuroendocrinology,1991,53∶60

    5,Moore RY.Neural control of the pineal gland.Behav Brain Res,1996,73∶25
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    6,McArthur AJ,Hunt AE,Gillette MU.Melatonin action and signal transduction in the rat suprachiasmatic circadian clock:activation of protein kinase C at dusk and dawn.Endocrinology,1997,138∶627

    7,蒋星红,李金华,金 杉,等.大鼠脑室注射高渗氯化钠和蔗糖诱导饮水行为和脑内c-fos表达.动物学报,1998,44∶308

    8,俞光第,郑克智,张惠琴,等.毁损中缝背核或注射对氯苯丙氨酸对小鼠踏转轮运动昼夜节律的影响.神经科学,1996,3∶134

    9,Gauer F,Masson P,Pevet P.Differential regulation of melatonin receptors by short-versus long-term pinealectomy in the rat.J Pineal Res,1994,16(2)∶73
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    10,Grosse J,Davis FC.Melatonin entrains the restored circa-dian activity rhythms of syrian hamsters bearing fetal suprachiasmatic nucleus grafts.J Neurosci,1998,18(19)∶8032

    11,Kilduff TS,Landel HB,Nagy GS.Circadian activity rhythms of c-fos expression in rat brain.Mol Brain Res,1992,16∶47

    12,Yu GD,Rusak B,Piggins HD.Regulation of melatonin-sensitivity and firing rate rhythms of hamster suprachiasmatic nucleus neurons:constant light effects.Brain Res,1993,602(1)∶191

    收稿:2000-05-08, http://www.100md.com