直流电刺激调控海洋被囊动物Botryllus schlosseri中与人类疾病相关的基因表达

《Neurobiology of Disease》：Direct current stimulation (DCS) modulates gene expression related to human diseases in the marine chordate Botryllus schlosseri

为探讨直流电刺激对基因表达的调节作用，研究人员以海洋被囊动物Botryllus schlosseri为新型临床前模型，系统研究了直流电刺激对其生理行为及全基因组表达的影响。研究发现直流电刺激能在不引起长期生理行为改变的前提下，广泛调节与炎症、神经退行性病变、人类发育相关的基因表达。该研究首次在活体动物模型中揭示了直流电刺激对基因表达的后效应，为理解其治疗机制及开发针对神经退行性疾病等的疾病调节疗法提供了新的分子视角。

在探索人类复杂疾病的治疗手段时，科学家们常常需要借助动物模型来模拟病理过程并测试潜在疗法。然而，许多传统模型在研究诸如阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病时，存在周期长、成本高或与人类生物学差异较大等局限。与此同时，一种名为经颅直流电刺激的非侵入性脑刺激技术，因其安全、便捷的特性，在神经精神疾病的治疗中展现出潜力，但其发挥作用的深层分子机制，尤其是在活体系统中如何调节基因表达，仍是一个亟待阐明的“黑箱”。这构成了当前研究领域的一个重要知识缺口。

为此，一项发表在《Neurobiology of Disease》杂志上的研究另辟蹊径，将目光投向了海洋。研究人员引入了一种看似不起眼却蕴含着巨大科学价值的生物——Botryllus schlosseri（施氏菊海鞘）。这种遍布于温带海域的群体性被囊动物，虽然构造简单，却与哺乳动物共享显著的遗传相似性，其基因组中包含大量与人类衰老和神经退行性病变相关的基因。更独特的是，它拥有每周循环一次的“接管”生命周期，老个体程序性死亡并被新芽体取代，为研究快速衰老和神经元退化提供了绝佳的重复性观察窗口。利用这一新型翻译模型，研究团队旨在搭建一座桥梁，探究直流电刺激是否以及如何在全基因组层面和生理层面上产生影响，从而为理解直流电刺激作为神经退行性疾病的疾病修饰疗法的潜力提供实证。

为了回答上述问题，研究人员开展了一项整合了行为生理学与转录组学的系统研究。他们从威尼斯泻湖采集了Botryllus schlosseri样本，并在实验室标准化培养。通过基因分型筛选出四个不同基因型的群落，并将其切割成遗传一致的亚克隆用于实验。研究的关键技术方法主要包括：利用定制刺激装置对动物施加0.5 mA持续30分钟的直流电刺激，并设立假刺激对照；在刺激前后多个时间点，通过特定行为学测试（如虹吸管刺激测试）和心率测量来评估生理行为变化；在刺激后3小时、24小时和48小时，采集样本并提取总RNA，利用Illumina Nextseq500平台进行转录组测序；最后，通过生物信息学流程（包括Trimmomatic、STAR、DESeq2等工具）对测序数据进行分析，鉴定差异表达基因，并利用GeneAnalytics和Enrichr等工具进行通路富集和功能注释，将海鞘基因与人类同源基因及生物学通路关联起来。

研究结果揭示了直流电刺激对Botryllus schlosseri多层面的显著影响。

首先，在行为与生理层面，直流电刺激会立即引起心率频率的增加和口腔虹吸管反应性的改变。分析显示，刺激后实验组与对照组的心率存在显著差异，但这种效应随时间推移而减弱。同时，刺激组动物的虹吸管反应性在刺激后显著下降，而假刺激组则无此变化。这些结果表明直流电刺激能产生即时但非持久的生理行为效应。

其次，在基因表达层面，研究发现了广泛而动态的调控。差异表达分析显示，在直流电刺激后3小时、24小时和48小时，分别有大量基因的表达发生改变。通过将差异基因与人类基因集比对，研究发现了随时间演变的系统级响应模式：刺激后3小时，响应主要涉及肌肉骨骼、泌尿、神经、生殖和造血系统相关基因；24小时后，心血管和胃肠道系统相关基因的参与变得显著；到了48小时，神经、生殖、造血、肌肉骨骼和胃肠道系统相关基因再度成为主要参与者。这种时序性变化提示直流电刺激的影响具有系统性和动态性。

通路富集分析进一步细化了受影响的生物学过程。例如，在刺激后3小时，下调基因富集于前体信使RNA剪接加工、翻译起始等通路，而上调基因则与补体激活、谷胱甘肽代谢相关。至24小时，下调基因涉及溶质载体转运、高尔基体/囊泡运输等，上调基因与有丝分裂进程、细胞周期检查点等相关。到了48小时，下调基因强烈富集于氨基酸代谢、谷胱甘肽合成、糖酵解、三羧酸循环等核心代谢通路，以及β-连环蛋白信号；而上调基因则与碱基切除DNA修复、NAD代谢、凋亡调控、线粒体生物发生、造血/免疫信号及自噬等相关。

尤为重要的是，研究鉴定出多个与人类神经退行性疾病密切相关的基因受到直流电刺激的调控。例如，在刺激后48小时，CLTC（网格蛋白重链）和TNR（腱生蛋白-R）等基因表达上调，前者对突触传递至关重要，后者是中枢神经系统细胞外基质蛋白。相反，VDAC1（电压依赖性阴离子通道1）、RPS27A（核糖体蛋白S27a）和UBA1（泛素激活酶1）等基因表达下调，这些基因分别在线粒体凋亡、蛋白质合成和泛素-蛋白酶体系统中扮演关键角色。这些变化提示直流电刺激可能通过调节突触功能、细胞外基质、细胞凋亡和蛋白质稳态等关键环节来发挥神经保护作用。

综合研究结果与讨论，本项研究的主要结论和重要意义在于：研究成功将Botryllus schlosseri确立为一个用于研究直流电刺激的新型、有前景的临床前翻译模型。首次在活体动物模型中证实，单次直流电刺激能够在长达48小时的时间内，持续、广泛地调节与炎症、人类发育和神经退行性病变相关的基因表达，且这些分子层面的变化并未伴随长期的生理行为损害。基因表达谱的时序性变化揭示了直流电刺激的影响是系统性的，从早期的神经、免疫应答扩展到后期的代谢、心血管等多系统参与。研究特别指出，直流电刺激调控了多个神经退行性疾病相关基因（如CLTC, TNR, VDAC1等）以及自噬、DNA修复、线粒体生物发生等神经保护相关通路（如BECN1, PARP1/2, GABPA），这为直流电刺激在阿尔茨海默病等疾病中观察到的潜在疾病修饰作用提供了可能的分子机制解释。总之，该研究不仅深化了对直流电刺激作用机制的理解，证明其可能作为一种在体基因表达调节的简单有效工具，也为未来优化直流电刺激治疗参数、开发针对神经退行性疾病等的新治疗策略奠定了重要的理论基础。