神经元因具有维持膜电位、释放神经递质和进行轴突运输等特殊功能，使其相比其他细胞有更高的能量需求。传统理论认为，神经元主要通过氧化磷酸化这一高效产生能量的方式来代谢葡萄糖。然而在氧化磷酸化过程中，电子在呼吸链上传递时可能泄露，形成活性氧，引起细胞损伤，甚至导致细胞死亡。因此，神经元如何在满足自身能量需求的同时，避免氧化磷酸化带来的氧化损伤至今尚不清楚。
在国家自然科学基金项目等资助下，南京中医药大学胡刚教授团队在神经元糖代谢特征与机制研究方面取得进展。研究成果以“Aerobic glycolysis is the predominant means of glucose metabolism in neuronal somata, which protects against oxidative damage”为题，于2023年11月23日在Nature Neuroscience（IF：25）上发表。通过研究发现，M2型丙酮酸激酶（PKM2）在胞体和末梢的差异分布导致了二者的糖代谢差异，其缺失会引起神经元胞体从有氧糖酵解代谢转变为氧化磷酸化，导致氧化损伤和多巴胺能神经元的进行性丢失。总的来说，有氧糖酵解是神经元胞体葡萄糖代谢的主要方式，可防止氧化损伤。该研究丰富了神经元耗能代谢方式的传统理论，提出神经元胞体主要进行有氧糖酵解代谢以防止氧化损伤，为干预相关神经疾病提供了新的思路，并为相关神经疾病的新药研发提供新的靶点。
PMID: 37996529 DOI: 10.1038/s41593-023-01476-4
主要内容
1. 胞体偏向乳酸形成，而终端则更偏向TCA循环
作者分离了神经元胞体和神经末梢，并使用[1,2-13C]葡萄糖孵育，后用质谱检测同位素标记的葡萄糖代谢中间体（图1a）。在胞体中，[1,2-13C]葡萄糖与糖酵解代谢物的结合比在突触体中更强（图1b）；用2-脱氧-d-葡萄糖（2-DG）培养则发现胞体裂解过程中的发光信号比神经末梢中的发光信号更强（图1c）。这些结果表明胞体中的葡萄糖摄取和糖酵解通量高于神经末梢。
另外，神经末梢中柠檬酸、富马酸和苹果酸的同位素标记比率显著高于胞体（图1d），表明丙酮酸通过神经末梢中的TCA循环进行更强的代谢。[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（图1a），而胞体中M+2乳酸与M+2PEP的比率较高（图1e）。这些结果表明，胞体中丙酮酸向乳酸的还原程度大于神经末梢。
细胞外酸化率（ECAR）和耗氧率（OCR）表明胞体比末梢具有更高的糖酵解和更低的基础呼吸（图1f-i），而神经末梢中OCR与ECAR的比率高于胞体（图1j）。这表明突触末端比胞体消耗更多的氧气，产生更少的乳酸。代谢通量和细胞呼吸分析的结果表明，胞体比神经末梢的有氧糖酵解水平更高，而氧化磷酸化较低。
图1
2.胞体较神经末梢的有氧糖酵解水平更高
作者发现，在神经末梢抑制线粒体复合物V导致ATP水平急剧下降，而胞体中ATP水平仅在糖酵解抑制的反应下急剧下降（图2-1）。这些结果表明，皮质神经元在胞体中比神经末梢有氧糖酵解的水平更高。
注射APV/CNQX抑制皮质神经元后，发现胞体比静息神经元的神经末梢有氧糖酵解水平更高，及氧化磷酸化水平更低，且神经末梢的乳酸水平显著高于胞体（图2-2、3）。
图2-1
图2-2
图2-3
3. 胞体和神经末梢的蛋白质组比较
基于串联质量标签（TMT）的定量蛋白质组学分析了神经元胞体和神经末梢的蛋白质组，检测到有657个差异表达蛋白（图3a）。KEGG富集分析的结果表明胞体和末梢之间的几个突触相关通路存在显著差异（图3b）。将蛋白质表达数据映射到KEGG糖酵解途径后，胞体表达的果糖激酶水平高于末端，这与胞体葡萄糖摄取高于末端的结果一致（图3c）。
图3
4. 神经元胞体比末梢表达更高水平的PKM2
使用蛋白质印迹检测在胞体和神经末梢中具有特异性抗体的PKM1和PKM2的表达（图4-1a）。结果显示，胞体中的PKM2水平显著高于神经末梢中的水平，而两者PKM1水平没有显著差异（图4-1b、c）。分离胞体核并通过蛋白质印迹检测PKM2，排除核位置导致胞体中出现更多PKM2的可能性（图4-1d、e）。通过酪酰胺信号放大（TSA）多重染色检测PKM1和PKM2在小鼠不同脑区的胞体和神经末梢中的分布，发现大脑皮层、黑质、蓝斑、斜带核和小脑胞体中PKM2水平高于末梢，而胞体和末梢PKM1水平无显著差异，但蓝斑中胞体PKM1水平低于末梢（图3d、e和图4-2)。上述结果表明， PKM2普遍分布在大脑中，且胞体中PKM2的水平高于末梢。
图4-1
图4-2
5. Pkm2缺失导致有氧糖酵解到氧化磷酸化的转变
将编码Cre重组酶（AAV-hSyn-Cre）、iATPSnFR（AAV-hSyn-iATPSnFR）和突触素-mCherry（AAV-hSyn-synaptophyn-mCherry）的腺相关病毒（AAV）共同注射到Pkm2fl/fl小鼠的同侧SSp中，双光子显微镜显示，Pkm2缺失后，寡霉素A对线粒体复合物V的抑制导致胞体中ATP水平更显著下降（图5a-c）。在SNc中，Pkm2缺失导致葡萄糖-6-磷酸（G6P）和乳酸水平下降，以及TCA循环中间体水平升高（图5d-i）；KEGG代谢物富集分析显示TCA循环发生显著变化（图5l）。离体实验中观察到SSp和SNc中Pkm2缺失后从有氧糖酵解到氧化磷酸化的转变，并且发现PKM2主要以四聚体形式存在于神经元胞体中（图4-2f、g），表明PKM2主要通过其糖酵解功能促进丙酮酸还原为乳酸。
图5
6. Pkm2缺失导致神经元氧化损伤
Pkm2缺失后抗氧化剂、谷胱甘肽和抗坏血酸显著减少（图5j、k），表明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。胞体葡萄糖代谢从有氧糖酵解向氧化磷酸化的转变导致皮质神经元脂质氧化损伤增加，而核酸氧化没有显著变化（图6-2）。在多巴胺能神经元中，葡萄糖代谢的胞体转换后，脂质和核酸氧化损伤均增加（图6-1 a-d）。
Pkm2缺失1个月后多巴胺能神经元没有显著差异（图6-1 e、f）；Pkm2缺失3个月后，与对侧半球相比，多巴胺能神经元显著减少（图6-1 g、h），表明胞体葡萄糖代谢的改变导致多巴胺能神经元进行性损失。
图6-1
图6-2
研究总结
本研究揭示了神经元在胞体处主要采用有氧糖酵解代谢，而在神经末梢处主要采用氧化磷酸化代谢。这种策略使得神经末梢能够高效地产生能量，支持神经递质释放等高能耗行为。同时，神经末梢通过突触可塑性可以克服氧化磷酸化产生的活性氧带来的结构损伤。另一方面，胞体是神经元储存遗传物质与合成蛋白质的地方，因此不产生活性氧的有氧糖酵解对于胞体而言是一条更安全的糖代谢途径。同时还发现PKM2是驱动胞体有氧糖酵解的关键分子。
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