利用微型化双光子技术揭示神经元胞体与末梢的糖代谢差异

神经元需要完成一些特定的功能，如膜电位的维持、神经递质的释放和再循环以及轴浆运输等，比其他类型细胞有更高的能量需求。因此传统观点认为神经元主要通过线粒体氧化磷酸化 (oxidative phosphorylation, OXPHOS) 产生ATP。然而，神经元不同亚细胞结构处的葡萄糖代谢是否存在差异尚不清楚。利用超维景自主研发的微型化双光子显微镜，可实现双色同步成像，使用不同颜色标定神经元胞体和轴突末梢，从而来研究神经元胞体和突触末梢之间的葡萄糖代谢差异。

2023年11月23日，南京中医药大学胡刚教授团队于国际著名期刊Nature Neuroscience发表题为“Aerobic glycolysis is the predominant means of glucose metabolism in neuronal somata, which protects against oxidative damage"的研究论文。作者发现有氧糖酵解是神经元胞体葡萄糖代谢的主要方式，它可以保护神经元免受氧化损伤。利用微型化双光子显微成像技术（FHIRM-TPM）等研究手段，作者发现糖酵解酶丙酮酸激酶2 (PKM2)的不同分布促使神经元在胞体中利用有氧糖酵解来防止氧化损伤，并在突触末梢处利用OXPHOS来满足高能量需求。

作者首先利用体外实验发现了神经元胞体比突触末梢进行更多的有氧糖酵解和更少的OXPHOS。由于分离过程可能会损害亚细胞的代谢活性，并且不可避免地会受到胶质细胞的污染，不能够很好的模拟生理条件，因此作者使用FHIRM-TPM进一步探讨了体内神经元胞体和突触末梢之间的葡萄糖代谢差异。通过使用基因编码的传感器与微型化双光子显微镜相结合，来研究运动皮层神经元胞体和末梢OXPHOS和有氧糖酵解的差异。在初级躯体感觉皮层 (SSp) 注射cytosolic iATPSnFR (细胞内ATP浓度变化的传感器) 和jRGECO1α 以及synaptophysin–mCherry来标记胞体和末梢。在5 min时将OXPHOS抑制剂oligomycin A注射到SSP中，并在30 min时向SSP中注糖酵解抑制剂2-DG，直到60 min成像结束，观察神经元胞体和突触末梢ATP水平的变化。结果显示，在末梢中，oligomycin A抑制OXPHOS导致ATP水平急剧下降，而在神经元胞体中，ATP水平仅在糖酵解受到抑制时出现急剧下降。这些结果表明，皮层神经元在胞体处的有氧糖酵解的水平高于末梢。

图1. 在体内，神经元胞体比突触末梢进行更多的有氧糖酵解和更少的OXPHOS

作者随后利用蛋白质组学分析等实验手段进一步发现了PKM2在胞体的表达高于在末梢的表达，而PKM2的缺失导致胞体糖代谢从有氧糖酵解向OXPHOS 转变，该转变引起多巴胺能神经元的氧化损伤和进行性丢失，证明胞体进行高有氧糖酵解代谢是为了防止神经元氧化损伤。

总结

在这项研究中，作者报道了神经元胞体和末梢之间存在显著的糖代谢差异，即胞体显示出更高的有氧糖酵解水平和更低的OXPHOS活性。这种策略使得神经末梢能够高效地产生能量，支持神经递质释放与回收等高能耗功能。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，因此对活性氧的防护尤为关键。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。这些研究发现提示，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。本研究丰富了神经元耗能代谢方式的理论，为干预相关神经疾病提供了新的研究思路。

【参考文献】

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