神经元具有维持膜电位、神经递质释放和再循环以及轴突运输等功能，与其他细胞类型相比，神经元对能量的需求极高。过量的活性氧会氧化脂质、蛋白质和核酸，从而对神经元造成不可逆的损伤。先前的研究表明，除磷酸戊糖途径外，有氧糖酵解也是减少氧化磷酸化产生过多活性氧的另一种方法，它的缺点是ATP生成效率低。神经元胞体和神经末梢的有氧糖酵解和氧化磷酸化水平是否存在差异仍未知。

 

2023年11月23日，医学一区神经科学顶刊《Nature Neuroscience》（IF ：25）在线发表了南京中医药大学医学院胡刚教授团队的新研究成果“Aerobic glycolysis is the predominant means of glucose metabolism in neuronal somata, which protects against oxidative damage”。本研究运用空间代谢组及TMT定量蛋白质组学等多组学的检测和分析方法揭示了神经元在不同亚细胞结构的代谢差异。作者发现糖酵解酶丙酮酸激酶2（PKM2）主要定位于神经元胞体而非末梢。证明了在基础和激活状态下，神经元胞体相比末梢进行更高水平的有氧糖酵解和更低水平的氧化磷酸化。验证小鼠体内缺失PKM2会导致神经元胞体从有氧糖酵解转变为氧化磷酸化，从而导致氧化损伤和多巴胺能神经元逐渐丧失。
 

欧易生物为本项目提供了空间代谢组学技术支持。本文强调了神经元胞体有氧糖酵解在维持抗氧化能力方面的重要作用。

发表期刊：Nature Neuroscience

影响因子：25

材料：小鼠和神经元细胞

方法：空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像（AFADESI-MSI）、 定量蛋白质组TMT（Tandem Mass Tag）

欧易生物为本项目提供了空间代谢组学技术支持。

 

 

技术路线：

 

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研究结果:

 

1.神经元胞体偏爱乳酸代谢，而末梢则偏爱TCA循环

作者培养分离出的神经元胞体和突触体，用质谱检测同位素标记的葡萄糖代谢中间产物（图1a）。发现神经元胞体的葡萄糖摄取和糖酵解通量高于神经末梢（图1b-c）。神经元突触中柠檬酸、富马酸和苹果酸的同位素标记比例明显高于神经元胞体（图1d）。用乳酸盐与PEP的比率表示有氧糖酵解的相对通量，神经元胞体中乳酸与PEP的比率较高（图1e）。作者使用Seahorse XF分析仪进一步验证了神经元胞体和突触之间的代谢差异。细胞外酸化率（ECAR）和耗氧量（OCR）显示，神经末梢比神经元胞体消耗更多的氧，产生更少的乳酸（图1f-j）。结果表明，与神经末梢相比，胞体进行更多的有氧糖酵解，而较少进行氧化磷酸化。

图1 丙酮酸在神经元胞体中更多地被还原成乳酸，而在突触体中则更多地通过TCA循环进行代谢

 

2. 神经元胞体有氧糖酵解水平均高于神经末梢

作者利用基因编码传感器和微型双光子显微镜比较了清醒小鼠体内氧化磷酸化和糖酵解对ATP水平的贡献。在神经末梢，寡霉素A抑制线粒体复合体V会导致ATP水平急剧下降，而在神经元胞体，ATP水平只有在抑制糖酵解时才会急剧下降（图2）。与神经末梢相比，胞体中进行的有氧糖酵解水平更高。之前的研究报告称，神经元在激活后会增加糖酵解。作者进一步研究了静息和激活状态下神经元胞体和末梢葡萄糖代谢的差异。只有抑制糖酵解时，神经元胞体的ATP水平会显著下降，而抑制神经末梢的氧化磷酸化会导致ATP水平明显下降。与神经末梢相比，神经元胞体在激活状态下更依赖有氧糖酵解产生ATP。

图2 神经元胞体相比末梢进行的有氧糖酵解更多，氧合磷酸化更少

 

3.神经元胞体和突触体的蛋白质组比较

作者使用基于TMT标记定量蛋白质组学（Tandem Mass Tag）分析了神经元胞体和突触体的蛋白质组，以研究神经元胞体和突触体细胞代谢差异的分子机制。神经元胞体和突触体之间检测到了657个差异蛋白质（图3a）。KEGG富集分析结果表明，神经元胞体和突触体之间在多个突触相关通路上存在显著差异（图3b）。神经元胞体中果激酶水平高于末梢，这与神经元胞体葡萄糖摄取高于末梢的结果一致（图3c）。一般来说，神经元胞体中丙酮酸脱氢酶和二氢脂酰脱氢酶的水平较高，应导致胞体中丙酮酸通过TCA循环代谢的水平较高，但本研究结果与先前结果不一致。一种可能的解释是，丙酮酸的去向不受其下游催化酶活性的调节，而是在丙酮酸产生过程中就已经决定了。

图3 PKM2在神经元胞体中的表达高于神经末梢

 

4.PKM2的缺失会导致有氧糖酵解转向氧化磷酸化

作者在大脑皮层神经元中验证了Cre重组酶表达的特异性和PKM2缺失的有效性。在PKM2缺失后，寡霉素A对线粒体复合物V的抑制导致神经元胞体内ATP水平明显下降（图4a-c），这表明神经元胞体葡萄糖代谢从有氧糖酵解转向了氧化磷酸化。作者进一步研究了PKM2是否在其他脑区驱动神经元胞体的有氧糖酵解。TSA多重染色显示，Cre重组酶在多巴胺能神经元中特异性表达，导致多巴胺能神经元胞体PKM2的mRNA和蛋白水平显著下降。

图4 PKM2的缺失会导致从有氧糖酵解转向氧化磷酸化

作者采用了空气动力辅助解吸电喷雾质谱成像（AFADESI-MSI）空间代谢组学方法来检测葡萄糖代谢的变化。PKM2缺失导致葡萄糖-6-磷酸（G6P）和乳酸水平下降，柠檬酸、琥珀酸、富马酸和苹果酸等TCA循环中间产物水平升高（图4d-i）。KEGG富集分析显示TCA循环发生了显著变化（图4l），这同样表明多巴胺能神经元中PKM2的缺失使神经元胞体葡萄糖代谢从有氧糖酵解转向了氧化磷酸化。PKM2是决定神经元胞体有氧糖酵解速率高的关键分子，主要通过其糖酵解功能促进丙酮酸还原为乳酸。

 

5.PKM2基因缺失会导致神经元氧化损伤和多巴胺能神经元逐渐丧失

有氧糖酵解不产生活性氧，这有助于避免氧化损伤。空间代谢组学结果显示，PKM2缺失后，抗氧化剂、还原型谷胱甘肽和还原型抗坏血酸明显减少（图4j,k），表明神经元胞体葡萄糖代谢的改变损害了神经元的氧化还原缓冲能力。作者推测神经元胞体进行高有氧糖酵解以防止氧化损伤。神经元胞体葡萄糖代谢从有氧糖酵解转向氧化磷酸化导致大脑皮层神经元脂质氧化损伤增加，而核酸氧化没有显著变化。在多巴胺能神经元中，神经元胞体葡萄糖代谢转换后，脂质和核酸氧化损伤都增加了（图5a-d）。不同脑区的神经元胞体葡萄糖代谢改变可导致神经元氧化损伤，这表明神经元胞体利用高水平有氧糖酵解来防止氧化损伤。

图5 PKM2缺失会导致氧化损伤和多巴胺能神经元逐渐丧失

氧化损伤是诱发帕金森病多巴胺能神经元丢失的主要因素之一。在PKM2缺失1个月后，多巴胺能神经元没有明显差异（图5e,f）。由于帕金森病是一种神经退行性疾病，作者进一步检测了PKM2缺失3个月后多巴胺能神经元的数量。与对侧半球相比，PKM2缺失3个月后多巴胺能神经元明显减少（图5g,h），这表明神经元胞体葡萄糖代谢的改变导致了多巴胺能神经元的逐渐丧失。

 

研究结论：

 

神经元胞体和末梢之间具有显著的代谢差异，神经元胞体氧糖酵解水平升高，而氧化磷酸化水平降低。这种代谢转变是由神经元胞体内占主导地位的糖酵解酶PKM2介导的。神经元胞体由有氧糖酵解向氧化磷酸化的转变导致了氧化损伤和多巴胺能神经元逐渐丧失。作者更新了在基础条件下所有神经元亚分区都进行氧化磷酸化的传统概念，并发现PKM2是驱动神经元胞体高有氧糖酵解水平的关键分子。PKM2活性降低可维持抗氧化保护和核苷酸生物合成。这种代谢变化有利于神经元胞体的抗氧化能力和生物合成过程。

 

作者提出了一个新概念，即神经元通过不同的代谢途径来满足神经元胞体的抗氧化要求和神经末梢的能量需求。

 

作者采用多组学技术及DESI-MSI空间代谢组和标记定量蛋白质组技术，研究发现，神经元以一种智慧的方式，在不同亚细胞结构处采用不同的糖代谢方式，既满足了能量需求，又避免了氧化损伤。研究丰富了神经元能量代谢方式的理论，为相关神经精神疾病的干预策略及其治疗药物研发提供了新的研究思路。空间代谢组相关多组学技术的应用场景广阔，可用于疾病机制研究，标志物筛选，调控机制分子机制研究，是科研的好帮手~

 

原文链接：

PMID: 37996529 DOI: 10.1038/s41593-023-01476-4

 

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空间代谢组学仪器平台介绍

—已搭建2套AFADESI-MSI质谱成像系统+1套Waters DESI-MSI质谱成像系统

—项目执行

截止2023年12月，已交付项目数400+、样本数量3000+；

——技术标准立项

欧易生物质谱平台空间代谢组荣获上海市2023年度“科技创新行动计划”空间代谢组学分析检测的技术标准专项立项

 

 

原创声明：本文由欧易生物(OEBIOTECH)学术团队报道