2019年11月27日,香港科技大学刘凯课题组在Neuron上发表长文文章Rewiring neuronal glycerolipid metabolism determines the extent of axon regeneration,发现通过调节神经元的甘油脂代谢,使神经元中参与细胞膜构造的磷脂类合成增加,而贮藏脂类如甘油三酯合成减少,能够促进损伤后的中枢神经元轴突再生。


港科大发现调控神经元的脂质代谢过程有助于损伤后的轴突再生


为了探究脂质代谢对轴突生长的作用,研究人员首先在体外培养的背根神经节(DRG)神经元中敲低一些参与脂肪酸代谢、胆固醇合成以及甘油磷酸途径的关键基因。其中发现敲低lipin1能够显著促进DRG的神经突生长。在体内实验中,通过腺相关病毒敲低或敲除视网膜神经节细胞的lipin1能够显著促进视神经再生。Lipin1是甘油磷酸途径的关键基因,能够催化磷脂酸和游离脂肪酸合成甘油二酯,甘油二酯是合成各类磷脂和甘油三酯的底物。甘油三酯是哺乳动物最主要的能量贮藏物质,而包含phosphatidylcholine (PC) 和 phosphatidylethanolamine (PE) 的磷脂则是细胞膜的主要成分。视网膜神经节细胞的lipin1水平随着发育过程增加,轴突损伤会进一步增加lipin1的表达,这些变化过程妨碍了中枢神经元的轴突再生。Lipin1除了参与甘油二酯的合成,还能调控细胞核内的基因表达。为了弄清哪项功能与轴突再生相关,研究人员在lipin1敲低的视网膜神经节细胞中过表达了磷脂酸磷酸酶功能突变和核定位序列缺失的lipin1基因,结果发现它的磷脂酸磷酸酶功能是影响轴突再生的主要因素。这表明神经元中的脂质代谢对轴突再生过程有重要影响。


接下来研究人员关注的问题是lipin1消除后对神经元的脂质代谢平衡产生了什么影响。测量发现lipin1消除后神经元中的胆固醇和脂肪酸含量没有明显变化,甘油三酯含量显著降低而PC 和PE水平则显著升高。这提示了lipin1可能使神经元倾向合成甘油三酯而非磷脂,那甘油三酯和磷脂对轴突再生到底有什么影响呢?神经元中的甘油三酯能够被ATGL和DDHD2两种酶水解,它的合成则由DGAT1和DGAT2催化。消除神经元中的ATGL或DDHD2能够升高甘油三酯的含量,也同时抑制了lipin1敲除后的轴突再生。相反,消除神经元中的DGAT1或DGAT2则能显著促进轴突再生。与lipin1类似,DGAT1或DGAT2消除后神经元中的甘油三酯含量显著降低而磷脂水平则显著升高。这表明抑制甘油三酯的合成能够促进轴突再生,机制很可能是神经元中的脂质代谢导向了利于磷脂合成的方向。细胞中的PC和PE主要经由Kennedy pathway合成。为了探究磷脂对轴突再生的影响,研究人员选择了编码合成PC和PE的关键酶的基因,包括Chka,Chkb,Pcyt1a,Pcyt1b和Pcyt2。敲低这些基因从而降低磷脂合成能够抑制lipin1或DGAT1敲除导致的轴突再生。相反, 过表达Pcyt1a或Pcyt2以促进PC和PE合成则能够促进轴突再生。这表明PC和PE的合成在轴突再生过程中起到关键作用。


在具有再生能力的外周神经系统中,脂质代谢对轴突再生是否也有关键作用?与中枢神经元不同,外周神经元损伤后DGAT1的表达会降低,提示了外周神经元能够通过调节脂质代谢过程来适应损伤,从而促进轴突再生。通过ATGL和DDHD2的抑制剂来抑制甘油三酯的水解,则会导致坐骨神经的再生能力显著降低。这表明脂质代谢对外周神经再生也至关重要。


港科大发现调控神经元的脂质代谢过程有助于损伤后的轴突再生


综上所述,调控神经元中的脂质代谢过程,使脂类的合成偏向参与细胞膜形成的磷脂而非贮藏型的甘油三酯有助于神经元轴突再生。这一研究为中枢与周围神经系统再生能力的不同提出了新说明,并为相关中枢神经系统损伤提供了新的药物靶点。


该文章由一作香港科大博后杨超,共同一作博士生王续,以及其他合编辑完成。


背景


再生医学的目标是修复由于损伤、衰老或疾病而丧失的各种组织或器官的功能。尽管很多组织或器官可以通过药物治疗或手术移植等手段来实现功能恢复,但修复受损的中枢神经系统仍然是医学上的巨大难题。神经系统是由神经元以及其它细胞通过连接形成的复杂网络结构,分为中枢神经系统和外周神经系统,是动物感知外界、控制机体活动的重要结构。神经元是神经系统的基本单元,其具有特殊的细胞构造,包含细胞体、树突以及轴突。神经元轴突经常具有超长结构,而损伤导致受损部位的神经信号中断,进而影响到神经系统的正常功能。外周神经系统的神经元轴突损伤后具有再生能力,丧失的功能也往往能够部分恢复。不幸的是,成年中枢神经系统神经元不具有轴突再生能力,严重损伤通常会导致永久性的功能缺失。典型的例子包括脊髓损伤导致的瘫痪,以及青光眼患者的视神经萎缩导致的视野障碍甚至完全失明。虽然在动物模型中已经有研究对中枢神经元轴突再生的分子机制进行了探究,但目前在临床上还无法实现轴突再生,因此深入研究影响轴突再生的基本生物学过程尤为重要。神经系统富含脂类物质,轴突再生过程也需要大量的脂类物质参与细胞膜的形成,但是神经元的脂质代谢过程对轴突再生的影响目前还不太清楚。


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