神经元的弱葡萄糖酵解有助于维持认知和有机体健康
这篇论文旨在探讨神经元代谢过程中糖酵解的生理学重要性。长久以来，尽管神经元的活动主要依靠葡萄糖提供能量，但神经元对葡萄糖的代谢相对较弱，主要通过糖酵解而不是其他代谢途径完成。这种现象可以归因于6-磷酸果糖-2-激酶-果糖-2,6-二磷酸酶-3（PFKFB3）这一促进糖酵解的关键酶的持续降解。PFKFB3在成人神经元中的低水平尚不清楚其生理学重要性；然而，理解这种“弱糖酵解”现象对脑功能的重要性具有重要意义。
研究来源
论文由Daniel Jimenez-Blasco及其合作研究团队完成，作者隶属于包括西班牙萨拉曼卡大学、比利时瑟克尔大学等多个研究机构。这篇论文发表在Nature Metabolism杂志，文章DOI为https://doi.org/10.1038/s42255-024-01049-0。
研究流程
为揭示神经元中低水平糖酵解的生理学重要性，研究团队通过基因工程手段，在小鼠神经元中表达PFKFB3，使这些神经元变为活性糖酵解细胞。研究过程包括以下几个阶段：
1. 小鼠模型的构建
研究团队首先使用条件性Cdh1基因敲除小鼠，与在神经元特异性Camk2a（也称为CamkIIα）启动子控制下表达Cre重组酶的小鼠进行交配，生成神经元中PFKFB3蛋白稳定化的小鼠模型，即CamkIIα-Cdh1−/−小鼠。接着，研究团队设计了一种通过同源重组在Rosa26位点引入PFKFB3的转基因小鼠（PFKFB3lox/+），并与CamkIIα-Cre小鼠交配，生成CamkIIα-PFKFB3小鼠。
2. 神经元特异性PFKFB3表达的验证
通过Western Blot（蛋白印迹）和免疫细胞化学方法，研究团队证实了PFKFB3在CamkIIα-PFKFB3小鼠脑中不同区域的表达，特别是在皮层、海马和下丘脑。
3. 糖酵解和PPP通量的测定
通过核磁共振波谱分析和质谱技术，研究团队测定了小鼠脑中糖酵解和磷酸戊糖途径（PPP）通量，结果显示，PFKFB3的表达显著提高了糖酵解通量但减少了PPP通量。
4. 线粒体氧化还原应激和能量代谢
研究还通过Amplex Red试剂和MitoSOX染料等方法评估了线粒体中的活性氧（ROS）水平，发现PFKFB3表达引发了线粒体氧化应激。使用Seahorse设备测量氧气消耗率（OCR），发现PFKFB3表达诱导的线粒体氧化还原应激导致复合体I的失活和能量代谢紊乱。
5. 自噬和认知功能
实验显示，糖酵解活化引发的NAD+（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）减少抑制了Sirtuin介导的自噬过程，进而导致PFKFB3表达的小鼠表现出认知功能下降和代谢综合征。通过NAD+前体物质（NMN）恢复NAD+水平，成功纠正了这些变化。
主要结果
- 对糖酵解和PPP通量的影响：在PFKFB3表达的小鼠脑中，糖酵解通量上升而PPP通量下降，导致还原型谷胱甘肽（GSH）水平减少。
- 线粒体应激和功能障碍：PFKFB3表达导致线粒体复合体I失活和氧化还原应激，进一步引起线粒体功能障碍。
- 自噬途径的改变：NAD+水平的降低影响了Sirtuin依赖的自噬过程，导致PFKFB3表达的小鼠表现出认知功能下降。
结论与意义
研究表明，成年神经元的低糖酵解特性对于维持更高级的机体功能是必要的。PFKFB3在神经元中的过度表达会导致线粒体氧化应激和功能障碍，进而损害神经元的认知功能和代谢性能。这些发现为理解阿尔茨海默病等疾病中的神经元糖酵解变化和可能的治疗途径提供了新的视角。
研究亮点
- 揭示了神经元中的弱糖酵解现象及其生理学重要性，为大脑在健康状态下的基本功能以及疾病状态提供了重要见解。
- 应用了多种先进方法，例如质谱分析、核磁共振波谱分析和Seahorse技术，全面解析了糖酵解对神经元功能和线粒体健康的影响。
- 发现了新的治疗靶点，即稳定神经元中的PFKFB3和NAD+水平，可能成为阿尔茨海默病等神经退行性疾病的潜在治疗策略。
这项研究显著提高了我们对神经元代谢途径及其对神经系统疾病影响的理解，具有重要的科学和临床意义。