在脊椎动物的中枢神经系统中，少突胶质细胞（Oligodendrocyte, OL）形成髓鞘以保证神经电活动跳跃式传导，在OL中，脂肪酸（FA）β-氧化发生于线粒体和过氧化物酶体中，过氧化物酶体通常位于髓鞘间隔内。线粒体乙酰辅酶A既能代谢产生ATP（OXPHOS）或通过柠檬酸穿梭和局部FA合成循环释放至细胞质中。减少葡萄糖降低了乙酰辅酶A和FA合成，影响脂质代谢和髓鞘更新，例如AD中，降低糖代谢与白质异常有关。而在OL中FA代谢是否与髓鞘脂质合成、轴突功能有关暂不明确，近期发表在Nature Neuroscience的研究通过分离视神经探究了OL的FA代谢对轴突能量贮存的作用。
研究选择了从年轻成年小鼠中短暂离体的视神经作为模型，评估在特定代谢环境（低糖、特定的代谢抑制剂、OL基因编辑小鼠）下髓鞘化的轴突传导性、ATP水平，在葡萄糖供应低下环境中检测OL髓鞘膜的丢失，明确在白质轴突中OL FA代谢对轴突的能量供应作用。
1. 葡萄糖剥夺的视神经中的胶质细胞依赖FA β-氧化
97% OL在无糖环境下24h均存活，70% 星形胶质细胞死亡（图1d-f）；16h时没有细胞死亡（图1b-c），表明髓鞘化的视神经在无糖环境下，胶质细胞主要依赖已有的能量库维持生存。无糖+低氧环境（N2）下，几乎所有细胞死亡，76%细胞为PI阳性，所以表明无糖环境下所有胶质细胞依赖OXPHOS存活（图1g）。无糖+25 μM 4-溴巴豆酸（4-Br）（非特异性线粒体FA β-氧化和酮解硫酶抑制剂）条件下，16h时仅30%的细胞存活（图1h）。同样地，用过氧化物酶体β-氧化抑制剂5 μM甲硫哒嗪（Thio）阻断线粒体β-氧化，但并未发现与4-Br在无糖环境下类似的细胞死亡，表明过氧化物酶体β-氧化被线粒体β-氧化代偿（图1i）。
图1. 剥夺葡萄糖后视神经中胶质细胞存活情况
2. 能量不足导致髓鞘变薄和囊泡性脱髓鞘
饥饿导致g-ratio（轴突直径/轴突和髓鞘总直径）增高，且髓鞘下有囊泡状结构出现，可能由于髓鞘的自噬造成，而且这种在髓鞘最内层的囊泡化很可能是由于髓鞘碱性蛋白（MBP）脱落导致（见补充材料图2）。
图2. 葡萄糖剥夺促进髓鞘丢失
3. OL存在基础水平的自噬
蛋白组学显示，无糖和低糖情况下髓鞘蛋白存在小幅度上升趋势，可能由于自噬释放了髓鞘蛋白导致；同时糖酵解酶减少，FA结合蛋白和FA代谢酶增多；自噬相关蛋白只在低糖环境下保持相对稍水平，可能由于核苷酸形成的磷酸戊糖途径需要葡萄糖（无糖环境下可能自噬相关基因已经不能转录）（图3b）。16h无糖环境下，FA和生酮代谢的关键酶：乙酰辅酶A乙酰转移酶1（ACAT1）和3-羟丁酸脱氢酶1（BDH1）表达均升高（图3c-d）。葡萄糖剥夺8.5h之后，视神经的OL胞体和突起自噬体（mWasabi+RFP+ LC3）增加；正常糖情况下自噬体只存在于溶酶体途径被抑制（例如Lys05）的情况下出现，表明OL存在一定的基础自噬水平，并在葡萄糖剥夺情况下增加（图3e-f）。
图3. OL存在一定基础水平的自噬并在葡萄糖剥夺情况下被诱导
4. OL脂质代谢支持视神经在饥饿条件下的轴突功能
在4-Br或者Etox（线粒体肉碱棕榈酰基转移酶1, CPT1抑制剂）刺激下，视神经电刺激后的复合动作电位（CAP）面积下降明显，即电导率的丢失（图4d-e）；但是在10 mM正常葡萄糖水平下，这些药物对CAP面积无影响（见补充材料图4）。同时轴突ATP水平也辅佐了上述结果，表明在缺乏葡萄糖的情况下，轴突峰值电位功能由FA代谢维持（图4f-g）。进一步，在5 μM Thio的条件下，低糖情况下与4-Br结果类似（图4h）。在靶向抑制OL中过氧化物酶体FA β-氧化的Cnp-Cre+/−::Mfp2flox/flox突变小鼠中提高轴突放电频率可以发现CAP面积逐渐下降（与体外Thio刺激的视神经类似）（图4j），表明OL是支持饥饿条件下轴突功能的机制之一。
图4. OL中FA β-氧化支持轴突能量代谢和电生理功能
5. 在体敲除成熟OL中的GLUT1减少髓鞘厚度
研究者构建Plp1CreERT2/+::Slc2a1flox/flox条件性突变小鼠，该小鼠在2月龄用他昔莫芬诱导后特异性在OL中敲除葡萄糖转运体1（GLUT1）的表达（图5b-c），GLUT1与髓磷脂表达有关，葡萄糖输入逐渐下降。该突变小鼠无明显行为缺陷，无明显神经病理；但g-ratio显示视神经有明显髓鞘丢失（图5f-h），但轴突没有病理改变。WB检测突变小鼠脑匀浆发现LC3b-I和II，BDH1，线粒体ACAT1均升高（图5i-j），表明OL缺乏正常葡萄糖摄入时，髓鞘代谢仍继续，因此饥饿期间髓磷脂的丢失与髓鞘分解有关（髓磷脂分解和FA β-氧化）。
图5. 动物模型验证OL葡萄糖缺乏导致髓鞘逐渐丢失
研究提出持续的OL脂质代谢是神经元（尤其是白质）能量代谢库。在低糖条件下，轴突ATP水平和动作电位都依赖FA β-氧化，因此提示轴突外髓磷脂合成和降解的不平衡可能是衰老和疾病中髓磷脂变薄的可能机制。
校 审：商慧芳
