中度紫外线暴露通过促进大脑中新型谷氨酸的生物合成可增强学习和记忆能力

尽管紫外线暴露与几种皮肤疾病有关，但适度的紫外线暴露对人体健康有益。例如，紫外线（UVB）光是一种来自太阳光的辐射能，可促进皮肤中维生素D的产生。紫外线已被用于治疗某些疾病，例如牛皮癣，特应性皮炎，湿疹，皮肤T细胞淋巴瘤，白癜风和尿毒症瘙痒症。紫外线不仅会引起周围的影响，而且还会与与中枢神经系统有关的各种神经行为相关。

中国科学技术大学生命科学学院、微尺度物质科学国家研究中心、神经退行性疾病研究中心、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心的熊伟教授研究组与中科大化学学院黄光明教授研究组合作，在Cell杂志上发表了题为 Moderate UV Exposure Enhances Learning and Memory by Promoting a Novel Glutamate Biosynthetic Pathway in the Brain 的研究成果，揭示了一条脑内谷氨酸合成新通路及其参与紫外线照射改善学习记忆的分子及神经环路机制。

Sunlight exposure is known to affect mood, learning, and cognition. However, the molecular and cellular mechanisms remain elusive. Here, we show that moderate UV exposure elevated blood urocanic acid (UCA), which then crossed the blood-brain barrier. Single-cell mass spectrometry and isotopic labeling revealed a novel intra-neuronal metabolic pathway converting UCA to glutamate (GLU) after UV exposure. This UV-triggered GLU synthesis promoted its packaging into synaptic vesicles and its release at glutamatergic terminals in the motor cortex and hippocampus. Related behaviors, like rotarod learning and object recognition memory, were enhanced after UV exposure. All UV-induced metabolic, electrophysiological, and behavioral effects could be reproduced by the intravenous injection of UCA and diminished by the application of inhibitor or short hairpin RNA (shRNA) against urocanase, an enzyme critical for the conversion of UCA to GLU. These findings reveal a new GLU biosynthetic pathway, which could contribute to some of the sunlight-induced neurobehavioral changes.

紫外线暴露会提高大脑中的UCA水平

紫外线暴露会改变周围皮肤，血液和尿液中的UCA水平。为了评估紫外线暴露是否也会改变大脑中的UCA水平，我们开发了一个紫外线暴露小鼠模型。

将小鼠背侧剃毛，并给予7μW/ cm 2低剂量的UVB 2小时，相当于30分钟的日光照射。暴露于UVB后，血清UCA水平显着增加，并且这种升高至少持续了240分钟。

UVB暴露120分钟后，CSF中的UCA水平也增加了约2倍。

单细胞MS揭示了暴露于UVB光2小时后，来自大多数大脑区域（包括PFC，M 2，HPC和DS）的大多数大脑区域的单个神经元中UCA的细胞内水平显着升高。

UVB的这种作用是可逆的，因为当在UVB暴露后24小时进行测量时，UVB暴露引起的UCA细胞内UCA水平升高几乎降至询价。

组氨酸-UCA-谷氨酸：神经元中的新型谷氨酸生物合成途径。

据报道，UCA仅存在于外围系统中，例如皮肤，肝脏，血液和尿液。在哺乳动物肝脏和其他周围组织中，UCA是组氨酸（HIS）转化为谷氨酸（GLU）的中间体。

为了验证整个大脑中是否存在HIS-UCA-GLU代谢途径，我们使用单细胞MS技术收集并分析了在预先孵育的矢状小鼠脑切片中从15个脑区随机选择的300多个神经元的细胞内样本。 HIS或盐水。HIS孵育显着诱导了所有大脑区域的UCA，IPPA，FMGA和GLU的细胞内水平增加了1到2倍，表明HIS-GLU代谢途径在整个大脑中分布广泛。

这种GLU生物合成途径可能存在于大脑的特定细胞类型中，因为这些HIS代谢产物的增加幅度在不同的神经元中变化，甚至在同一大脑区域也是如此。

稳定的同位素13 C标记是用于鉴定体内化学代谢途径的最常用方法之一。孵育PFC神经元在大脑切片用13 C标记的HIS（1- 13 C-HIS）1个小时后，提取的胞内成分与未处理的神经元相比，预孵育13 C-HIS的神经元的13 C-HIS / HIS，13 C-UCA / UCA，13 C-GLU / GLU和13 C-IPPA / IPPA的比率明显更高。

此外，蛋白质印迹分析表明，肝脏HIS-UCA-GLU途径中涉及的关键酶，包括组氨酸酶，尿酸酶和咪唑酮丙酸酯酶（IPPAnase），也存在于许多大脑区域，包括PFC，运动皮层（MC），NAc ，DS，CeA，HPC，上丘（SC），下丘脑（HT），小脑（CB）和脑干（BS）

紫外线暴露触发血液UCA升高，而血液UCA则又穿过BBB并进入神经元以参与GLU的生物合成。神经元GLU合成的增加可能导致更多的GLU包装到突触小泡中，并且更多的GLU从神经末梢释放，从而增强了谷氨酸能神经回路，例如GLU M2→DS或GLU CA3→CA1预测和相关行为，例如运动学习和识别记忆。

紫外线暴露会升高循环中的β-内啡肽，后者作用于中枢神经系统，并导致阿片受体介导的紫外线成瘾。因为GLU在中枢神经系统中起着多种作用，包括在氨基酸水平上的蛋白质生物合成，处理多余或浪费的氮气，以及神经元之间最丰富的兴奋性神经递质，除了学习和记忆外，神经元中紫外线激活的细胞内UCA-GLU代谢途径还可能与日光浴相关的神经系统疾病有关，例如情绪改善，成瘾，认知和大脑发育。