视网膜与外周神经功能的可逆调节：丝氨酸与甘氨酸生理研究

背景与研究动机

视网膜黄斑毛细血管扩张症（Macular Telangiectasia Type 2, 简称Mactel）是一种与衰老相关的视网膜疾病，其特征为中心视力丧失。该病的分子病因复杂，主要与丝氨酸（serine）和甘氨酸（glycine）代谢有关。许多Mactel患者呈现出系统性代谢异常，表现为血清中丝氨酸和甘氨酸含量的降低。此外，Mactel的代谢特征与糖尿病相似，两者都可能导致视网膜病变，虽然病理表现有所不同。

近来研究发现，在Mactel患者中，存在与丝氨酸和甘氨酸代谢相关的遗传变异，这些变异加剧了血清丝氨酸的缺乏。同时，丝氨酸代谢的紊乱还与多种老年性疾病如神经退行性病变和心血管疾病相关。因此，理解并恢复体内丝氨酸稳态对于改善相关疾病具有重要意义。本研究探讨了丝氨酸、甘氨酸及一碳代谢在视网膜、肝脏和肾脏之间的流动如何维持视网膜氨基酸的平衡及功能，特别关注通过饮食调节丝氨酸水平能否逆转小鼠中的视网膜和周围神经病变。

研究团队及发表信息

本文由Esther W. Lim博士、Regis J. Fallon博士等人完成，研究者主要来自Salk生物研究所、加州大学圣地亚哥分校、Lowy医学研究所等机构。论文发表于《Cell Metabolism》杂志2024年10月刊，开放获取。

研究流程

研究对象与实验设计

研究者通过动物模型与临床样本相结合的方法，详细探讨了丝氨酸的生成、来源以及其对视网膜功能的影响。具体而言，研究包含以下几部分流程：

1. 动物模型设计：研究利用Phgdh基因杂合敲除小鼠模型，这些小鼠模拟了Mactel患者的丝氨酸生成功能不足的情况。研究团队将小鼠分为两组：一组喂食正常饮食，另一组为丝氨酸/甘氨酸缺乏的饮食，以评估丝氨酸缺乏对视网膜的影响。

2. 同位素示踪实验：使用稳定同位素标记的丝氨酸和甘氨酸（[u-13C3]丝氨酸和[u-13C2]甘氨酸），研究丝氨酸在视网膜、肝脏和肾脏中的代谢途径。通过质谱技术测定视网膜中丝氨酸的来源，以揭示视网膜在不同代谢途径中的依赖关系。

3. 视网膜功能检测：通过光适应性电生理检测（ERG）测量视网膜在不同饮食条件下的反应，以评估丝氨酸不足对视网膜功能的影响。

4. 神经损伤的可逆性验证：为了验证丝氨酸补充的治疗效果，研究者在喂食丝氨酸/甘氨酸缺乏饮食12个月后，将小鼠转为丝氨酸补充饮食，再次检测视网膜和神经功能的恢复情况。

数据分析方法

研究团队采用质谱法和分子标记的方法精确分析组织和血清中的氨基酸及其代谢物水平，同时通过实时定量PCR检测视网膜中的相关基因表达水平，进一步明确丝氨酸代谢在视网膜中的作用。此外，还对视网膜细胞中相关蛋白进行免疫荧光染色，验证丝氨酸转运和合成的关键分子表达模式。

主要研究结果

1. 系统性丝氨酸和甘氨酸代谢变化的特征

研究发现，Mactel患者血清中丝氨酸和甘氨酸水平显著降低，伴随特定脱氧神经酰胺（doxsls）水平的升高，反映出丝氨酸代谢的失衡。拥有Phgdh基因变异的患者丝氨酸缺乏程度更为显著，这表明该基因的单体不完整性（haploinsufficiency）会加重代谢缺陷。

2. 视网膜丝氨酸的来源

通过稳定同位素示踪研究发现，视网膜丝氨酸主要来自血液循环，补充饮食中的丝氨酸能显著提高视网膜中的丝氨酸水平。视网膜的甘氨酸来源主要依赖于肝脏和肾脏等组织的供应，显示出视网膜对外源性丝氨酸的高度依赖性。

3. Phgdh基因缺失加重视网膜缺陷

在丝氨酸/甘氨酸缺乏饮食下，Phgdh杂合缺失小鼠的视网膜功能显著降低，表现为电生理测试中b波振幅的降低，这种缺陷在喂食补充丝氨酸后得到改善。同时，低丝氨酸水平导致视网膜和外周神经中异常神经酰胺（doxsls）的积累，进一步证实丝氨酸代谢紊乱在神经病变中的作用。

4. 丝氨酸补充的可逆效果

在恢复饮食实验中，补充高丝氨酸的小鼠视网膜功能得到显著恢复，周围神经的感觉功能也得到改善。这表明，丝氨酸缺乏所引起的视网膜和神经损伤可能是可逆的，并非不可逆的神经退行性病变。此外，补充丝氨酸可有效降低组织和血清中的doxsls水平，进一步支持丝氨酸的治疗潜力。

研究结论

本研究表明，丝氨酸代谢在维持视网膜和外周神经健康中具有重要作用。视网膜主要依赖血清中的丝氨酸水平，局部生成的丝氨酸仅为补充来源。在丝氨酸不足时，Phgdh的单体不完整性将加重代谢缺陷并加速视网膜退行性病变的发展。而通过补充丝氨酸，可以逆转因代谢异常导致的视网膜和外周神经功能损伤。因此，对于Mactel等丝氨酸缺乏相关疾病，补充丝氨酸可能提供一种有效的治疗策略。