微量转录组测序揭示槟榔碱、咖啡因和尼古丁对神经系统转录水平的作用
槟榔、咖啡和烟草的主要活性成分分别为槟榔碱（arecoline）、咖啡因（caffeine）和尼古丁（nicotine），这些物质通过影响中枢神经系统产生不同的生理效应，但目前对其神经机制的研究有限，尤其是它们对神经系统的相似性和差异性尚不清楚。伏隔核（nucleus accumbens, NAc）是奖赏回路中的一个关键区域，在调节奖赏、愉悦和动机方面发挥着至关重要的作用，并且在对药物刺激的反应中显著参与。尼古丁通过激活大脑中的多巴胺系统影响奖赏和动机路径，咖啡因通过多种机制增强多巴胺活性，而槟榔碱作为一种强效的毒蕈碱激动剂，能迅速穿过血脑屏障，引发一系列副交感神经系统效应。尽管这三种物质都被认为具有神经刺激作用，但它们对神经系统的具体作用机制和成瘾潜力仍不明确。
近日，海南大学生物医学工程学院周非凡教授团队研究了槟榔碱、咖啡因和尼古丁三种精神活性物质对小鼠伏隔核（nucleus accumbens, NAc）转录水平的影响，并通过行为实验比较其作用。研究使用微量RNA测序（Smart-seq2/scRNA-seq）技术分析基因表达，并结合行为测试和神经免疫组化方法，从转录和行为层面探讨这些物质的效应。相关研究成果以“Comparative effects of arecoline, caffeine, and nicotine on transcription level in the nucleus accumbens of mice”为题发表在《Genomics》期刊。
研究方法
1. 动物模型：使用6-8周龄的C57BL/6J小鼠，分为药物组和对照组，通过腹腔注射给予不同剂量的槟榔碱（0.5 mg/kg）、咖啡因（10 mg/kg）、尼古丁（0.5 mg/kg）或等体积的生理盐水。
2. RNA-seq测序：在条件性位置偏爱实验（Conditioned Place Preference, CPP）完成后，提取小鼠NAc组织，进行RNA提取、文库构建和测序分析。
3. 行为测试：包括旷场试验和CPP测试，评估小鼠的活动性和对药物的偏爱。
4. 免疫荧光染色：检测ΔFosB在NAc的表达，作为成瘾标记。
结果图形
（1）基因表达和生物过程变化
图1：NAc中的差异表达基因（DEGs）和基因本体（GO）富集分析。
A. NAc样本的基因组reads分布；
B. NAc中的DEGs数量；
C. DEGs的维恩分析；
D. 三组中31个共有DEGs的热图；
E-G. 槟榔碱（E）、咖啡因（F）和尼古丁（G）组的前20个GO生物学过程；
H. SynGO生物学过程富集分析。
（2）与神经系统和物质依赖相关的通路变化
B. 与神经系统和物质依赖相关的DEGs的维恩分析；
C-E. 槟榔碱（C）、咖啡因（D）和尼古丁（E）组中富集的关于神经系统和物质依赖通路；
F. 三组中可卡因成瘾通路的DEGs维恩分析。
（3）与神经递质相关的基因表达变化
D-F. 槟榔碱（D）、咖啡因（E）和尼古丁（F）组中DEGs火山图；
G. 神经递质相关基因热图（橙色：上调，紫色：下调，*P < 0.05 且 |log2FC| > 1）。
（4）不同精神活性物质对小鼠行为和ΔFosB的影响
图4：行为和免疫荧光变化特征。
A. 条件性位置偏爱（CPP）实验方案；
B. CPP得分（后测减去前测；测试时长，1200秒；n=9-12）；
C-E. 旷场试验中的总距离（C）、活动次数（D）和活跃时间（E）；
F. 伏隔核（NAc）位置示意图；
G. CPP后测后，用ΔFosB染色的小鼠NAc脑切片的代表性图像（红色：ΔFosB；蓝色：DAPI）；
H. 通过ΔFosB+荧光定量检测NAc中ΔFosB+细胞数量（n=4）。
易小结
本研究通过微量转录组测序（Smart-seq2）分析等揭示了槟榔碱、咖啡因和尼古丁均能影响小鼠NAc的基因表达，但它们的作用机制和对神经系统的潜在成瘾性存在差异。尼古丁对神经系统和物质依赖相关功能影响最为显著，而槟榔碱的影响最小。咖啡因和尼古丁在调节突触可塑性方面具有更显著的作用，这可能是它们成瘾潜力较高的原因。行为测试结果支持尼古丁具有较高的成瘾潜力，而槟榔碱和咖啡因的成瘾潜力相对较低。
研究亮点
参考文献：
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，海南大学生物医学工程学院周非凡教授团队研究了槟榔碱、咖啡因和尼古丁三种精神活性物质对小鼠伏隔核（nucleus accumbens, NAc）转录水平的影响，并通过行为实验比较其作用。研究使用微量RNA测序（Smart-seq2/scRNA-seq）技术分析基因表达，并结合行为测试和神经免疫组化方法，从转录和行为层面探讨这些物质的效应。相关研究成果以“Comparative effects of arecoline, caffeine, and nicotine on transcription level in the nucleus accumbens of mice”为题发表在《Genomics》期刊。
研究方法
1. 动物模型：使用6-8周龄的C57BL/6J小鼠，分为药物组和对照组，通过腹腔注射给予不同剂量的槟榔碱（0.5 mg/kg）、咖啡因（10 mg/kg）、尼古丁（0.5 mg/kg）或等体积的生理盐水。
2. RNA-seq测序：在条件性位置偏爱实验（Conditioned Place Preference, CPP）完成后，提取小鼠NAc组织，进行RNA提取、文库构建和测序分析。
3. 行为测试：包括旷场试验和CPP测试，评估小鼠的活动性和对药物的偏爱。
4. 免疫荧光染色：检测ΔFosB在NAc的表达，作为成瘾标记。
结果图形
（1）基因表达和生物过程变化
图1：NAc中的差异表达基因（DEGs）和基因本体（GO）富集分析。
B. NAc中的DEGs数量；
C. DEGs的维恩分析；
D. 三组中31个共有DEGs的热图；
E-G. 槟榔碱（E）、咖啡因（F）和尼古丁（G）组的前20个GO生物学过程；
H. SynGO生物学过程富集分析。
（2）与神经系统和物质依赖相关的通路变化
图2：差异表达基因（DEGs）的KEGG富集分析。
A. KEGG二级分类注释的条形图；B. 与神经系统和物质依赖相关的DEGs的维恩分析；
C-E. 槟榔碱（C）、咖啡因（D）和尼古丁（E）组中富集的关于神经系统和物质依赖通路；
F. 三组中可卡因成瘾通路的DEGs维恩分析。
（3）与神经递质相关的基因表达变化
图3：与神经系统和物质依赖通路相关的DEGs互作分析。
A-C. 槟榔碱（A）、咖啡因（B）和尼古丁（C）组中DEGs互作网络图；D-F. 槟榔碱（D）、咖啡因（E）和尼古丁（F）组中DEGs火山图；
G. 神经递质相关基因热图（橙色：上调，紫色：下调，*P < 0.05 且 |log2FC| > 1）。
（4）不同精神活性物质对小鼠行为和ΔFosB的影响
图4：行为和免疫荧光变化特征。
B. CPP得分（后测减去前测；测试时长，1200秒；n=9-12）；
C-E. 旷场试验中的总距离（C）、活动次数（D）和活跃时间（E）；
F. 伏隔核（NAc）位置示意图；
G. CPP后测后，用ΔFosB染色的小鼠NAc脑切片的代表性图像（红色：ΔFosB；蓝色：DAPI）；
H. 通过ΔFosB+荧光定量检测NAc中ΔFosB+细胞数量（n=4）。
易小结
本研究通过微量转录组测序（Smart-seq2）分析等揭示了槟榔碱、咖啡因和尼古丁均能影响小鼠NAc的基因表达，但它们的作用机制和对神经系统的潜在成瘾性存在差异。尼古丁对神经系统和物质依赖相关功能影响最为显著，而槟榔碱的影响最小。咖啡因和尼古丁在调节突触可塑性方面具有更显著的作用，这可能是它们成瘾潜力较高的原因。行为测试结果支持尼古丁具有较高的成瘾潜力，而槟榔碱和咖啡因的成瘾潜力相对较低。
研究亮点
- 全面的转录组分析：首次使用微量转录组Smart-seq2技术全面比较了槟榔碱、咖啡因和尼古丁对小鼠NAc转录水平的影响。
- 揭示神经机制差异：明确了三种精神活性物质在影响神经系统方面的相似性和差异性，尤其是它们对突触功能和物质依赖相关通路的不同影响。
- 行为学证据：通过行为测试提供了尼古丁具有奖励效应的直接证据，而槟榔碱和咖啡因则未显示出类似效应。
- 成瘾标记物分析：通过免疫荧光染色检测了ΔFosB表达，为评估这些物质的成瘾潜力提供了分子层面的证据。
参考文献：
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.
标签：
微量转录组
