盡管紫外線暴露與幾種皮膚疾病有關(guān)，但適度的紫外線暴露對(duì)人體健康有益。例如，紫外線（UVB）光是一種來(lái)自太陽(yáng)光的輻射能，可促進(jìn)皮膚中維生素D的產(chǎn)生。紫外線已被用于治療某些疾病，例如牛皮癬，特應(yīng)性皮炎，濕疹，皮膚T細(xì)胞淋巴瘤，白癜風(fēng)和尿毒癥瘙癢癥。紫外線不僅會(huì)引起周?chē)挠绊?，而且還會(huì)與與中樞神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān)的各種神經(jīng)行為相關(guān)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、神經(jīng)退行性疾病研究中心、中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心的熊偉教授研究組與中科大化學(xué)學(xué)院黃光明教授研究組合作，在Cell雜志上發(fā)表了題為 Moderate UV Exposure Enhances Learning and Memory by Promoting a Novel Glutamate Biosynthetic Pathway in the Brain 的研究成果，揭示了一條腦內(nèi)谷氨酸合成新通路及其參與紫外線照射改善學(xué)習(xí)記憶的分子及神經(jīng)環(huán)路機(jī)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.

紫外線暴露會(huì)提高大腦中的UCA水平

紫外線暴露會(huì)改變周?chē)つw，血液和尿液中的UCA水平。為了評(píng)估紫外線暴露是否也會(huì)改變大腦中的UCA水平，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)紫外線暴露小鼠模型。

將小鼠背側(cè)剃毛，并給予7μW/ cm 2低劑量的UVB 2小時(shí)，相當(dāng)于30分鐘的日光照射。暴露于UVB后，血清UCA水平顯著增加，并且這種升高至少持續(xù)了240分鐘。

UVB暴露120分鐘后，CSF中的UCA水平也增加了約2倍。

單細(xì)胞MS揭示了暴露于UVB光2小時(shí)后，來(lái)自大多數(shù)大腦區(qū)域（包括PFC，M 2，HPC和DS）的大多數(shù)大腦區(qū)域的單個(gè)神經(jīng)元中UCA的細(xì)胞內(nèi)水平顯著升高。

UVB的這種作用是可逆的，因?yàn)楫?dāng)在UVB暴露后24小時(shí)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，UVB暴露引起的UCA細(xì)胞內(nèi)UCA水平升高幾乎降至詢(xún)價(jià)。

組氨酸-UCA-谷氨酸：神經(jīng)元中的新型谷氨酸生物合成途徑。

據(jù)報(bào)道，UCA僅存在于外圍系統(tǒng)中，例如皮膚，肝臟，血液和尿液。在哺乳動(dòng)物肝臟和其他周?chē)M織中，UCA是組氨酸（HIS）轉(zhuǎn)化為谷氨酸（GLU）的中間體。

為了驗(yàn)證整個(gè)大腦中是否存在HIS-UCA-GLU代謝途徑，我們使用單細(xì)胞MS技術(shù)收集并分析了在預(yù)先孵育的矢狀小鼠腦切片中從15個(gè)腦區(qū)隨機(jī)選擇的300多個(gè)神經(jīng)元的細(xì)胞內(nèi)樣本。 HIS或鹽水。HIS孵育顯著誘導(dǎo)了所有大腦區(qū)域的UCA，IPPA，F(xiàn)MGA和GLU的細(xì)胞內(nèi)水平增加了1到2倍，表明HIS-GLU代謝途徑在整個(gè)大腦中分布廣泛。

這種GLU生物合成途徑可能存在于大腦的特定細(xì)胞類(lèi)型中，因?yàn)檫@些HIS代謝產(chǎn)物的增加幅度在不同的神經(jīng)元中變化，甚至在同一大腦區(qū)域也是如此。

穩(wěn)定的同位素13 C標(biāo)記是用于鑒定體內(nèi)化學(xué)代謝途徑的最常用方法之一。孵育PFC神經(jīng)元在大腦切片用13 C標(biāo)記的HIS（1- 13 C-HIS）1個(gè)小時(shí)后，提取的胞內(nèi)成分與未處理的神經(jīng)元相比，預(yù)孵育13 C-HIS的神經(jīng)元的13 C-HIS / HIS，13 C-UCA / UCA，13 C-GLU / GLU和13 C-IPPA / IPPA的比率明顯更高。

此外，蛋白質(zhì)印跡分析表明，肝臟HIS-UCA-GLU途徑中涉及的關(guān)鍵酶，包括組氨酸酶，尿酸酶和咪唑酮丙酸酯酶（IPPAnase），也存在于許多大腦區(qū)域，包括PFC，運(yùn)動(dòng)皮層（MC），NAc ，DS，CeA，HPC，上丘（SC），下丘腦（HT），小腦（CB）和腦干（BS）

紫外線暴露觸發(fā)血液UCA升高，而血液UCA則又穿過(guò)BBB并進(jìn)入神經(jīng)元以參與GLU的生物合成。神經(jīng)元GLU合成的增加可能導(dǎo)致更多的GLU包裝到突觸小泡中，并且更多的GLU從神經(jīng)末梢釋放，從而增強(qiáng)了谷氨酸能神經(jīng)回路，例如GLU M2→DS或GLU CA3→CA1預(yù)測(cè)和相關(guān)行為，例如運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和識(shí)別記憶。

紫外線暴露會(huì)升高循環(huán)中的β-內(nèi)啡肽，后者作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并導(dǎo)致阿片受體介導(dǎo)的紫外線成癮。因?yàn)镚LU在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中起著多種作用，包括在氨基酸水平上的蛋白質(zhì)生物合成，處理多余或浪費(fèi)的氮?dú)猓约吧窠?jīng)元之間最豐富的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，除了學(xué)習(xí)和記憶外，神經(jīng)元中紫外線激活的細(xì)胞內(nèi)UCA-GLU代謝途徑還可能與日光浴相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)，例如情緒改善，成癮，認(rèn)知和大腦發(fā)育。