利用微型化雙光子技術揭示神經元胞體與末梢的糖代謝差異

神經元需要完成一些特定的功能，如膜電位的維持、神經遞質的釋放和再循環以及軸漿運輸等，比其他類型細胞有更高的能量需求。因此傳統觀點認為神經元主要通過線粒體氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation, OXPHOS) 產生ATP。然而，神經元不同亞細胞結構處的葡萄糖代謝是否存在差異尚不清楚。利用超維景自主研發的微型化雙光子顯微鏡，可實現雙色同步成像，使用不同顏色標定神經元胞體和軸突末梢，從而來研究神經元胞體和突觸末梢之間的葡萄糖代謝差異。

2023年11月23日，南京中醫藥大學胡剛教授團隊于國際著名期刊Nature Neuroscience發表題為“Aerobic glycolysis is the predominant means of glucose metabolism in neuronal somata, which protects against oxidative damage”的研究論文。作者發現有氧糖酵解是神經元胞體葡萄糖代謝的主要方式，它可以保護神經元免受氧化損傷。利用微型化雙光子顯微成像技術（FHIRM-TPM）等研究手段，作者發現糖酵解酶丙酮酸激酶2 (PKM2)的不同分布促使神經元在胞體中利用有氧糖酵解來防止氧化損傷，并在突觸末梢處利用OXPHOS來滿足高能量需求。

作者首先利用體外實驗發現了神經元胞體比突觸末梢進行更多的有氧糖酵解和更少的OXPHOS。由于分離過程可能會損害亞細胞的代謝活性，并且不可避免地會受到膠質細胞的污染，不能夠很好的模擬生理條件，因此作者使用FHIRM-TPM進一步探討了體內神經元胞體和突觸末梢之間的葡萄糖代謝差異。通過使用基因編碼的傳感器與微型化雙光子顯微鏡相結合，來研究運動皮層神經元胞體和末梢OXPHOS和有氧糖酵解的差異。在初級軀體感覺皮層 (SSp) 注射cytosolic iATPSnFR (細胞內ATP濃度變化的傳感器) 和jRGECO1α 以及synaptophysin–mCherry來標記胞體和末梢。在5 min時將OXPHOS抑制劑oligomycin A注射到SSP中，并在30 min時向SSP中注糖酵解抑制劑2-DG，直到60 min成像結束，觀察神經元胞體和突觸末梢ATP水平的變化。結果顯示，在末梢中，oligomycin A抑制OXPHOS導致ATP水平急劇下降，而在神經元胞體中，ATP水平僅在糖酵解受到抑制時出現急劇下降。這些結果表明，皮層神經元在胞體處的有氧糖酵解的水平高于末梢。

圖1. 在體內，神經元胞體比突觸末梢進行更多的有氧糖酵解和更少的OXPHOS

作者隨后利用蛋白質組學分析等實驗手段進一步發現了PKM2在胞體的表達高于在末梢的表達，而PKM2的缺失導致胞體糖代謝從有氧糖酵解向OXPHOS 轉變，該轉變引起多巴胺能神經元的氧化損傷和進行性丟失，證明胞體進行高有氧糖酵解代謝是為了防止神經元氧化損傷。

總結

在這項研究中，作者報道了神經元胞體和末梢之間存在顯著的糖代謝差異，即胞體顯示出更高的有氧糖酵解水平和更低的OXPHOS活性。這種策略使得神經末梢能夠高效地產生能量，支持神經遞質釋放與回收等高能耗功能。同時，神經末梢通過突觸可塑性可以克服氧化磷酸化產生的活性氧帶來的結構損傷。另一方面，胞體是神經元儲存遺傳物質與合成蛋白質的地方，因此對活性氧的防護尤為關鍵。不產生活性氧的有氧糖酵解對于胞體而言是一條更安全的糖代謝途徑。這些研究發現提示，神經元以一種智慧的方式，在不同亞細胞結構處采用不同的糖代謝方式，既滿足了能量需求，又避免了氧化損傷。本研究豐富了神經元耗能代謝方式的理論，為干預相關神經疾病提供了新的研究思路。

【參考文獻】

Wei, Y., Q. Miao, Q. Zhang, S. Mao, M. Li, X. Xu, et al. (2023) Aerobic glycolysis is the predominant means of glucose metabolism in neuronal somata, which protects against oxidative damage. Nat Neurosci.doi: 10.1038/s41593-023-01476-4