利用定向分化而来的功能性下丘脑能量调控关键神经元研究胰岛素/瘦素抵抗机制

With sufficient amount of food supply, obesity is now one of the major challenges facing the whole world. Hypothalamus is the center sensing nutrient conditions. POMC/CART and NYP/AGRP neurons within the hypothalamic arcuate nucleus receive signals from circulating insulin and leptin. These neurons subsequently pass the signals to downstream brain regions and thus control the balance between food intake and energy expenditure. During obesity, POMC/CART and NYP/AGRP neurons are resistant to leptin/insulin signaling and it is well accepted that this signaling resistance causes obesity occur. Since we currently do not have any cell culture system to model these hypothalamic neurons in either normal or diseased conditions, it is very difficult to study the underlying molecular mechanisms about leptin/insulin resistance and find a way to combat obesity. In this research program, we are going to generate these hypothalamic neurons from pluripotent stem cells. These neurons will then be used to model insulin/leptin resistance and study the detailed mechanisms during obesity pathogenesis. The therapeutic potential of these neurons will also be tested after transplanted to the hypothalamus of obese mice.

下丘脑弓状核的NPY/AGRP神经元及POMC/CART神经元感受血液循环中的胰岛素及瘦素浓度的变化,对精确调节能量摄入和消耗之间的平衡起至关重要的作用。在肥胖症发病过程中，这一平衡被打破，但是具体的分子机制不清楚。我们的前期工作发现：1.在小鼠肥胖症模型中，下丘脑神经元发生胰岛素/瘦素信号抵抗从而产生功能性退变是导致肥胖症的关键；2.人多能干细胞，包括胚胎干细胞及诱导多能干细胞在合适条件下，能靶向分化为特定类型神经元。在本申请中，我们拟建立将人多能干细胞，包括肥胖症病人来源诱导多能干细胞，靶向分化为下丘脑弓状核NPY/AGRP神经元及POMC/CART神经元的技术方法，通过细胞移植，评判体外分化而来的能量调控神经元在重建下丘脑能量调控回路中的功能，并在这些健康和疾病来源能量调控关键神经元上进一步研究胰岛素和瘦素的信号转导及信号抵抗机制，从而为肥胖症和继发性糖尿病的防治提供新思路。

下丘脑神经元感受血液循环中的胰岛素及瘦素浓度的变化，对精确调节能量摄入和消耗之间的平衡起至关重要的作用。本项目旨在将人胚胎干细胞定向分化为下丘脑神经元，为代谢性疾病的研究提供相应的材料。我们通过谱系追踪小鼠和条件性敲除的小鼠，发现下丘脑能量代谢相关的神经元来源于Nkx2.1阳性细胞，同时发现Wnt/beta-Catenin信号通路不是下丘脑发育早期的必需信号，但是后期对下丘脑神经元的迁移和成熟可能存在调控作用。为了获得Nkx2.1阳性的神经前体细胞，我们研究了端脑背腹侧化过程。我们的研究显示人前脑背腹轴分化发育的过程遵循先激活后转化模式。SHH信号抑制背侧化基因的表达，去除原有的背侧化激活的基因对腹侧化的抑制，促进细胞腹侧化的模式。该模式符合进化特点，体现了人脑发育中基因调控网络的独特性。为了进一步获得下丘脑神经细胞，我们系统研究了人胚胎干细胞体外神经定向分化的技术体系。在悬浮分化条件下，SHH诱导的神经上皮细胞趋化为腹侧神经前体细胞，并进一步趋向至内侧神经节隆起(MGE)，而贴壁分化条件下，SHH诱导人多能干细胞分化为底板(FP)和下丘脑腹侧神经前体细胞。我们的研究还提示下丘脑腹侧神经前体细胞为FoxA2+/Nkx2.1+，而中脑FP前体为FoxA2+/Nkx2.1-。据此我们提出了不同的分化方法可以获得MGE前体、下丘脑前体和中脑FP前体的定向分化方法，将为癫痫、老年痴呆、帕金森综合症以及代谢性疾病的机制研究提供了研究材料。