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IF 25 Nature Neuroscience|发现有氧糖酵解是神经元体内葡萄糖代谢的主要方式

IF 25 Nature Neuroscience|发现有氧糖酵解是神经元体内葡萄糖代谢的主要方式

前言

2023年11月23日,南京中医药大学胡刚团队在Nature Neuroscience杂志上在线发表了“Aerobic glycolysis is the predominant means of glucose metabolism in neuronal somata, which protects against oxidative damage”的研究论文,该研究证明了在基础状态和激活状态下,神经元体比终末进行更高水平的有氧糖酵解和更低水平的OXPHOS。

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背景

研究发现糖酵解酶丙酮酸激酶2(PKM2)主要位于体细胞而不是末端。小鼠中PKM2的缺失导致神经元体细胞从有氧糖酵解转变为OXPHOS,导致氧化损伤和多巴胺能神经元的进行性丧失。总之,该研究更新了传统的观点,即神经元在基础条件下统一使用OXPHOS,并强调了体细胞有氧糖酵解在维持抗氧化能力中的重要作用。


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要点1:a.从全脑分离神经元体和突触体,利用代谢通量和细胞呼吸分析来研究葡萄糖代谢的差异。用[1,2-13c]葡萄糖培养分离的体细胞和突触体,然后用质谱法检测同位素标记的葡萄糖代谢中间体。b.[1,2-13c]葡萄糖在糖酵解代谢物中的掺入量在体细胞中高于突触体。c.此外,用2-deoxy-D-glucose(2-DG)培养分离的体细胞和突触体,发现体细胞裂解过程中的发光信号强于突触体。这些结果表明,葡萄糖摄取和糖酵解通量在体细胞比在神经末梢高。[1,2-13c]葡萄糖通过三羧酸(TCA)循环代谢生成同位素标记的TCA循环中间体。TCA循环的多次循环将稳定地向TCA循环提供更多的13C,并增加TCA循环代谢产物的同位素标记部分。d.研究结果显示,突触体中柠檬酸、富马酸和苹果酸的同位素标记比率明显高于体细胞,表明丙酮酸通过神经末梢的TCA循环代谢更大。e.[1,2-13c]葡萄糖通过有氧糖酵解代谢产生M+2磷酸烯醇丙酮酸(PEP)和乳酸。因此,M+2乳酸与M+2 PEP的比值表示有氧糖酵解的相对通量。体细胞中M+2乳酸与M+2 PEP的比值较高。这些结果表明,丙酮酸还原成乳酸在躯体比在神经末梢更大。使用海马XF分析仪进一步验证了神经元体和突触体之间的代谢差异。f-i.与代谢通量实验的结果一致,细胞外酸化率(ECAR)和耗氧量(OCR)表明,与终末相比,体细胞具有更高的糖酵解和更低的基础呼吸。j.基础代谢状态下OCR与ECAR的比值表明,当线粒体耗氧与能量产生相结合时,细胞更倾向于OXPHOS而不是有氧糖酵解。海马实验结果显示,突触体中OCR与ECAR的比值高于体细胞,这表明突触体末端消耗更多的氧气,产生更少的乳酸。代谢通量和细胞呼吸分析的结果表明,与神经末梢相比,躯体进行更多的有氧糖酵解和更少的OXPHOS。由于分离过程可能会损害亚细胞制剂的代谢活性,胶质细胞的轻微污染是不可避免的,进一步探讨了体内体细胞和神经末梢葡萄糖代谢的差异。

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要点2:a-c.在体内和离体的躯体中,有氧糖酵解的水平比神经终端更高。利用基因编码传感器结合微型双光子显微镜,对氧化磷酸化(OXPHOS)和糖酵解对ATP水平的贡献进行了比较研究。在初级体感细胞中表达了胞浆内的iATPSnFR(细胞内ATP浓度变化的传感器)和红移钙指示物jRGECO1a或突触前末端标记物synaptophysin-mCherry皮层(SSp)。皮层神经元表现出相当大的自发活动,钙指标证明了这一点,但平行记录的iATPSnFR显示了轻微的ATP波动。与寡霉素A抑制线粒体复合体V导致ATP水平急剧下降的神经末梢不同,在体细胞中,ATP水平仅在糖酵解抑制时才急剧下降。这些结果表明,皮层神经元在躯体中的有氧糖酵解水平高于神经末梢。上述实验涉及到自发放电神经元和非活动神经元的检测。先前的研究报道神经元在激活后糖酵解增加。

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要点3:利用串联质量标签(TMT)的定量蛋白质组学方法对神经元体细胞和突触体的蛋白质组学进行分析,探讨体细胞和突触体代谢差异的分子基础。a.在体细胞和突触体之间检测到657种差异表达蛋白,理论上应该主要是核蛋白和突触相关蛋白。b.KEGG富集分析的结果也表明,体细胞和终末之间的几种突触相关通路存在显著差异。这些结果进一步验证了分离的体细胞和突触体的纯度。进一步将蛋白质表达数据映射到KEGG糖酵解途径上,以探索负责躯体和神经末梢之间葡萄糖代谢差异的关键分子。c.利用酪胺信号放大(TSA)多重染色检测PKM1和PKM2在小鼠大脑各区域的体细胞和神经末梢的分布,探讨PKM1和PKM2的差异分布是否普遍存在于大脑各神经元中。d-e.结果表明,大鼠大脑皮层、黑质、蓝斑、对角带核和小脑的体细胞中PKM2水平高于终末。在大脑皮层、黑质、对角带核和小脑的体细胞和终末中,PKM1水平无显著差异,而在蓝斑中,体细胞PKM1水平低于终末。上述结果表明,PKM2水平在体细胞中高于终末,PKM2在整个大脑中普遍存在。


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要点4:a-c.双光子显微镜显示,在PKM2缺失后,寡霉素A对线粒体复合体V的抑制导致了躯体中ATP水平更显著的下降。由于SNc是一个深部脑区,很难用双光子显微镜观察,使用了一种环境气流辅助解吸电喷雾电离-质谱成像(AFADESI-MSI)方法来检测SNc中葡萄糖代谢的变化。d-i.PKM2缺失导致SNc中glucose-6-phosphate(G6P)和乳酸水平下降,TCA循环中间体(如柠檬酸、琥珀酸、富马酸和苹果酸)水平升高。l.同样,KEGG代谢物富集分析显示TCA循环发生了显著变化,这表明多巴胺能神经元中PKM2的缺失将体细胞葡萄糖代谢从有氧糖酵解转变为OXPHOS。上述结果表明,PKM2是决定SSp和SNc中高速率体细胞有氧糖酵解的关键分子。先前的研究报道PKM2仅作为四聚体对丙酮酸具有酶活性,当四聚体PKM2解离成二聚体时,PKM2作为转录因子共激活因子。为了探讨PKM2是否通过丙酮酸激酶活性或非糖酵解功能改变糖代谢,使用蓝色原生页面(BN-PAGE)检测PKM2二聚体和四聚体的水平。PKM2缺失导致神经元氧化损伤。

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要点5:a-d.在多巴胺能神经元中,糖代谢的体细胞开关后,脂质和核酸氧化损伤均增加。这些结果表明,大脑不同区域的体细胞糖代谢改变可导致神经元的氧化损伤,表明体细胞利用高有氧糖酵解来防止氧化损伤。PKM2缺失导致多巴胺能神经元进行性丧失氧化损伤是帕金森病中导致多巴胺能神经元丧失的主要因素之一。e-f.因此,研究人员的目的是利用免疫组织化学检测PKM2缺失后多巴胺能神经元的损失。PKM2缺失1个月后,多巴胺能神经元数量无显著差异。g-h.由于帕金森病是一种神经退行性疾病,进一步检测了PKM2缺失3个月后多巴胺能神经元的数量。PKM2缺失3个月后,与对侧半球相比,多巴胺能神经元明显减少,这表明体细胞中葡萄糖代谢的改变导致了多巴胺能神经元的进行性损失。

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要点6:在大脑中,突触被认为是ATP消耗的主要部位,因为它们具有产生动作电位、囊泡释放和神经递质循环等功能。因此,神经末梢通过OXPHOS代谢葡萄糖,有效地产生ATP。同时,末端可以通过突触可塑性克服活性氧(OXPHOS的有害副产物)引起的氧化损伤。相反,存储DNA并合成脂质和蛋白质的躯体中的氧化应激会导致不可逆的神经元损伤。因此,不产生ROS的有氧糖酵解对躯体来说是一种更好的代谢策略。因此,假设了一个新的概念,即神经元使用不同的代谢途径来满足体细胞的抗氧化需求和终端的能量需求。


小结

综上所述,在基础状态和激活状态下,相对于终末,神经元体表现出有氧糖酵解增加和OXPHOS水平降低。这种差异与躯体中糖酵解酶丙酮酸激酶2(PKM2)的主要定位有关。小鼠中PKM2的缺失诱导神经元体细胞从有氧糖酵解向OXPHOS转变,导致氧化损伤和多巴胺能神经元的逐渐丧失。该研究更新了传统的观点,即神经元在基础条件下统一使用OXPHOS,并强调了体细胞有氧糖酵解在维持抗氧化能力中的重要作用。


参考文献:Wei Y,Miao Q,Zhang Q,et al.Aerobic glycolysis is the predominant means of glucose metabolism in neuronal somata, which protects against oxidative damage. Nat Neurosci. 2023 Dec;26(12):2081-2089.

https://doi.org/10.1038/s41593-023-01476-4


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