微量轉錄組測序揭示檳榔堿、咖啡因和尼古丁對神經系統轉錄水平的作用
檳榔、咖啡和煙草的主要活性成分分別為檳榔堿（arecoline）、咖啡因（caffeine）和尼古丁（nicotine），這些物質通過影響中樞神經系統產生不同的生理效應，但目前對其神經機制的研究有限，尤其是它們對神經系統的相似性和差異性尚不清楚。伏隔核（nucleus accumbens, NAc）是獎賞回路中的一個關鍵區域，在調節獎賞、愉悅和動機方面發揮著至關重要的作用，并且在對藥物刺激的反應中顯著參與。尼古丁通過激活大腦中的多巴胺系統影響獎賞和動機路徑，咖啡因通過多種機制增強多巴胺活性，而檳榔堿作為一種強效的毒蕈堿激動劑，能迅速穿過血腦屏障，引發一系列副交感神經系統效應。盡管這三種物質都被認為具有神經刺激作用，但它們對神經系統的具體作用機制和成癮潛力仍不明確。
近日，海南大學生物醫學工程學院周非凡教授團隊研究了檳榔堿、咖啡因和尼古丁三種精神活性物質對小鼠伏隔核（nucleus accumbens, NAc）轉錄水平的影響，并通過行為實驗比較其作用。研究使用微量RNA測序（Smart-seq2/scRNA-seq）技術分析基因表達，并結合行為測試和神經免疫組化方法，從轉錄和行為層面探討這些物質的效應。相關研究成果以“Comparative effects of arecoline, caffeine, and nicotine on transcription level in the nucleus accumbens of mice”為題發表在《Genomics》期刊。
研究方法
1. 動物模型：使用6-8周齡的C57BL/6J小鼠，分為藥物組和對照組，通過腹腔注射給予不同劑量的檳榔堿（0.5 mg/kg）、咖啡因（10 mg/kg）、尼古丁（0.5 mg/kg）或等體積的生理鹽水。
2. RNA-seq測序：在條件性位置偏愛實驗（Conditioned Place Preference, CPP）完成后，提取小鼠NAc組織，進行RNA提取、文庫構建和測序分析。
3. 行為測試：包括曠場試驗和CPP測試，評估小鼠的活動性和對藥物的偏愛。
4. 免疫熒光染色：檢測ΔFosB在NAc的表達，作為成癮標記。
結果圖形
（1）基因表達和生物過程變化
圖1：NAc中的差異表達基因（DEGs）和基因本體（GO）富集分析。
A. NAc樣本的基因組reads分布；
B. NAc中的DEGs數量；
C. DEGs的維恩分析；
D. 三組中31個共有DEGs的熱圖；
E-G. 檳榔堿（E）、咖啡因（F）和尼古丁（G）組的前20個GO生物學過程；
H. SynGO生物學過程富集分析。
（2）與神經系統和物質依賴相關的通路變化
B. 與神經系統和物質依賴相關的DEGs的維恩分析；
C-E. 檳榔堿（C）、咖啡因（D）和尼古丁（E）組中富集的關于神經系統和物質依賴通路；
F. 三組中可卡因成癮通路的DEGs維恩分析。
（3）與神經遞質相關的基因表達變化
D-F. 檳榔堿（D）、咖啡因（E）和尼古丁（F）組中DEGs火山圖；
G. 神經遞質相關基因熱圖（橙色：上調，紫色：下調，*P < 0.05 且 |log2FC| > 1）。
（4）不同精神活性物質對小鼠行為和ΔFosB的影響
圖4：行為和免疫熒光變化特征。
A. 條件性位置偏愛（CPP）實驗方案；
B. CPP得分（后測減去前測；測試時長，1200秒；n=9-12）；
C-E. 曠場試驗中的總距離（C）、活動次數（D）和活躍時間（E）；
F. 伏隔核（NAc）位置示意圖；
G. CPP后測后，用ΔFosB染色的小鼠NAc腦切片的代表性圖像（紅色：ΔFosB；藍色：DAPI）；
H. 通過ΔFosB+熒光定量檢測NAc中ΔFosB+細胞數量（n=4）。
易小結
本研究通過微量轉錄組測序（Smart-seq2）分析等揭示了檳榔堿、咖啡因和尼古丁均能影響小鼠NAc的基因表達，但它們的作用機制和對神經系統的潛在成癮性存在差異。尼古丁對神經系統和物質依賴相關功能影響最為顯著，而檳榔堿的影響最小。咖啡因和尼古丁在調節突觸可塑性方面具有更顯著的作用，這可能是它們成癮潛力較高的原因。行為測試結果支持尼古丁具有較高的成癮潛力，而檳榔堿和咖啡因的成癮潛力相對較低。
研究亮點
參考文獻：
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，海南大學生物醫學工程學院周非凡教授團隊研究了檳榔堿、咖啡因和尼古丁三種精神活性物質對小鼠伏隔核（nucleus accumbens, NAc）轉錄水平的影響，并通過行為實驗比較其作用。研究使用微量RNA測序（Smart-seq2/scRNA-seq）技術分析基因表達，并結合行為測試和神經免疫組化方法，從轉錄和行為層面探討這些物質的效應。相關研究成果以“Comparative effects of arecoline, caffeine, and nicotine on transcription level in the nucleus accumbens of mice”為題發表在《Genomics》期刊。
研究方法
1. 動物模型：使用6-8周齡的C57BL/6J小鼠，分為藥物組和對照組，通過腹腔注射給予不同劑量的檳榔堿（0.5 mg/kg）、咖啡因（10 mg/kg）、尼古丁（0.5 mg/kg）或等體積的生理鹽水。
2. RNA-seq測序：在條件性位置偏愛實驗（Conditioned Place Preference, CPP）完成后，提取小鼠NAc組織，進行RNA提取、文庫構建和測序分析。
3. 行為測試：包括曠場試驗和CPP測試，評估小鼠的活動性和對藥物的偏愛。
4. 免疫熒光染色：檢測ΔFosB在NAc的表達，作為成癮標記。
結果圖形
（1）基因表達和生物過程變化
圖1：NAc中的差異表達基因（DEGs）和基因本體（GO）富集分析。
B. NAc中的DEGs數量；
C. DEGs的維恩分析；
D. 三組中31個共有DEGs的熱圖；
E-G. 檳榔堿（E）、咖啡因（F）和尼古丁（G）組的前20個GO生物學過程；
H. SynGO生物學過程富集分析。
（2）與神經系統和物質依賴相關的通路變化
圖2：差異表達基因（DEGs）的KEGG富集分析。
A. KEGG二級分類注釋的條形圖；B. 與神經系統和物質依賴相關的DEGs的維恩分析；
C-E. 檳榔堿（C）、咖啡因（D）和尼古丁（E）組中富集的關于神經系統和物質依賴通路；
F. 三組中可卡因成癮通路的DEGs維恩分析。
（3）與神經遞質相關的基因表達變化
圖3：與神經系統和物質依賴通路相關的DEGs互作分析。
A-C. 檳榔堿（A）、咖啡因（B）和尼古丁（C）組中DEGs互作網絡圖；D-F. 檳榔堿（D）、咖啡因（E）和尼古丁（F）組中DEGs火山圖；
G. 神經遞質相關基因熱圖（橙色：上調，紫色：下調，*P < 0.05 且 |log2FC| > 1）。
（4）不同精神活性物質對小鼠行為和ΔFosB的影響
圖4：行為和免疫熒光變化特征。
B. CPP得分（后測減去前測；測試時長，1200秒；n=9-12）；
C-E. 曠場試驗中的總距離（C）、活動次數（D）和活躍時間（E）；
F. 伏隔核（NAc）位置示意圖；
G. CPP后測后，用ΔFosB染色的小鼠NAc腦切片的代表性圖像（紅色：ΔFosB；藍色：DAPI）；
H. 通過ΔFosB+熒光定量檢測NAc中ΔFosB+細胞數量（n=4）。
易小結
本研究通過微量轉錄組測序（Smart-seq2）分析等揭示了檳榔堿、咖啡因和尼古丁均能影響小鼠NAc的基因表達，但它們的作用機制和對神經系統的潛在成癮性存在差異。尼古丁對神經系統和物質依賴相關功能影響最為顯著，而檳榔堿的影響最小。咖啡因和尼古丁在調節突觸可塑性方面具有更顯著的作用，這可能是它們成癮潛力較高的原因。行為測試結果支持尼古丁具有較高的成癮潛力，而檳榔堿和咖啡因的成癮潛力相對較低。
研究亮點
- 全面的轉錄組分析：首次使用微量轉錄組Smart-seq2技術全面比較了檳榔堿、咖啡因和尼古丁對小鼠NAc轉錄水平的影響。
- 揭示神經機制差異：明確了三種精神活性物質在影響神經系統方面的相似性和差異性，尤其是它們對突觸功能和物質依賴相關通路的不同影響。
- 行為學證據：通過行為測試提供了尼古丁具有獎勵效應的直接證據，而檳榔堿和咖啡因則未顯示出類似效應。
- 成癮標記物分析：通過免疫熒光染色檢測了ΔFosB表達，為評估這些物質的成癮潛力提供了分子層面的證據。
參考文獻：
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.
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