Cell Metab | 宋源泉/李书鑫团队发现胶质细胞代谢决定中枢轴突再生

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中枢神经系统损伤引起的瘫痪通常无法被治愈，这主要是因为中枢神经系统中的神经元缺乏再生的能力。例如脊柱损伤后，脊髓当中被截断的神经元轴突无法生长，且无法再次形成有效的突触连接。除了随着成熟和衰老导致的神经元自身再生能力的下降，早在1981年，David 和Aguayo 等人就发现中枢神经系统的环境抑制可能是轴突无法再生的另一个重要原因【1】，在接下来的几十年时间里，该领域内的研究方向主要集中在损伤后形成的胶质伤痕（glia scar）是如何抑制轴突再生的。
之前的研究多数集中在胶质伤痕，因此普遍观点都认为中枢胶质细胞会抑制轴突再生。直到2016年，Anderson 等人揭示在损伤位置附近,再分裂的胶质细胞实际上会帮助轴突再生【2】。研究人员才开始重新审视胶质细胞的作用，意识到胶质细胞的在轴突再生中所扮演的角色并不是简单好或者坏。为了发展更有效的治疗方法，探寻真正的内在机制显得格外重要。
2020年9月16日，美国宾夕法尼亚大学费城儿童医院的宋源泉教授团队与天普大学医学院的李书鑫教授团队合作（李丰博士为第一作者）在Cell Metabolism以长文形式在线发表了题为Glial Metabolic Rewiring Promotes Axon Regeneration and Functional Recovery in the Central Nervous System的研究论文。该研究发现中枢神经系统胶质细胞的代谢重编程可以显著地促进轴突再生，并且帮助神经元功能恢复，首次揭示了胶质细胞代谢与神经元轴突再生之间的联系。

该研究首先以果蝇为实验对象，建立起中枢神经损伤的模型，并且发展出第一个果蝇神经损伤的功能恢复模型。通过在损伤模型中对胶质细胞进行遗传操作，观察神经轴突再生的情况来进行实验。

图1，果蝇幼虫神经损伤的功能恢复模型

通过对13条细胞通路进行筛选，研究人员发现当上调胶质细胞中的PI3K、EGFR或者细胞周期信号通路的时候，轴突再生的长度会明显增加。更进一步，他们发现当合并上调PI3K和EGFR通路，再生的比列从野生型当中的<10%增加至>90%,并且显著促进了果蝇神经功能的恢复。因此作者认为对胶质细胞进行重编程能够实现对抑制性中枢系统环境的逆转。
通过对不同种类胶质细胞的操作，文章作者还推测出胶质细胞是通过分泌到环境中的因子起作用。为了探究在合并上调PI3K和EGFR通路重编程细胞时，胶质细胞中到底发生了什么、分泌了什么到胞外影响神经元再生，文章作者对可能的下游通路进行了研究，发现了代谢过程--糖酵解通路在此中的重要作用。并进一步阐明，通过不同的遗传操作上调糖酵解通路，都可以促进神经元轴突再生。更有意思的是单独过表达乳酸脱氢酶（Ldh）就能够促进再生和功能的恢复，这直接说明了与乳酸脱氢酶相关的代谢物可能参与了促进神经元轴突再生的过程。

图2，通过不同的遗传操作上调糖酵解通路

作者利用遗传编码的乳酸探针确认了在重编程的胶质细胞中乳酸上调的事实，进一步利用质谱对胞内与胞外组分进行分析，发现重编程胶质细胞时，胞外的L-乳酸（L-lactate）、L-2-羟基戊二酸（L-2HG）和丙酮酸都有显著的升高。通过注射可以克服血脑屏障的L-乳酸和L-乳酸酯混合物给果蝇，发现单纯的提升中枢神经系统中的L-乳酸就可以实现帮助神经元轴突再生。
除了L-乳酸以外，该研究还深入研究了另外一个鉴定到的代谢物-L-2-羟基戊二酸。L-2-羟基戊二酸不仅参与到重编程胶质细胞诱导的神经元轴突再生，它还同L-乳酸一样，单纯在中枢神经系统中升高其浓度就可以促进神经元轴突再生。文章作者还注意到L-乳酸和L-2-羟基戊二酸结构的相似性，并利用这种相似性推测其他的类似物可能也有相似功能，发现并证实了D-2-羟基戊二酸，酒石酸和2-羟基丙酸都拥有类似功能。根据这些结果，作者更进一步推断L-乳酸和L-2-羟基戊二酸在神经元上可能有共同的靶点。通过在果蝇内建立能够同时遗传操作胶质细胞和神经元的系统，并在神经元内进行了小规模筛选，鉴定到GABAB 受体是响应L-乳酸和L-2-羟基戊二酸的受体。文章作者还意外发现L-乳酸和L-2-羟基戊二酸是作为GABAB 受体的逆向激动剂（inverse agonist），通过升高神经元内的cAMP水平来实现对轴突再生的促进作用。
文章作者在小鼠脊柱损伤模型中使用L-乳酸进行处理，发现L-乳酸处理不仅能够促进脊柱内的轴突再生，还能促进小鼠运动能力的恢复。并且还通过对小鼠脊髓组织的分析和生物信息学分析，提供了在小鼠神经元中GABAB 受体起作用的证据。

图3，该研究阐明的主要机制

总的来说，这项研究在很多方面都做出了重要贡献：

1. 首先为该领域开辟了新的研究方向，改变神经系统中胶质细胞代谢为发展新的治疗方法提供了全新的思路，从果蝇到小鼠的跨物种研究也证实了该机制的进化保守性，增加了其进行转化医学的可能性。

2. 提出了胶质细胞代谢环境决定中枢神经系统环境的假设。

3. 发展了第一个果蝇神经损伤的功能恢复模型。

4. 发现了L-乳酸的另一个膜受体，近年来，有不同研究通过不同手段发现L-乳酸在神经系统中有复杂的调控作用，而已知的L-乳酸膜受体HCAR1无法解释观察到的现象3，本研究发现的GABAB 受体和L-乳酸与该受体的作用方式完美填补了这个空缺。
   

有趣的是，本文第一作者李丰博士在复旦大学生物医学研究院(赵世民教授实验室)进行博士阶段学习的时候，发现了D-2-羟基戊二酸在肿瘤发生过程中的新机制（Molecular Cell, 2015)，如今的研究方向从细胞肿瘤代谢转变成果蝇神经再生，又巧合的揭示了L-2-羟基戊二酸的作用机制。

温馨提示

宋源泉研究组诚邀有科研热情，有抱负，善钻研的博士后加盟。有意者请浏览实验室网站：http://songlab.research.chop.edu

原文链接https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.08.015

制版人：琪酱

参考文献

1David, S. & Aguayo, A. J. Axonal elongation into peripheral nervous system "bridges" after central nervous system injury in adult rats. Science 214, 931-933, doi:10.1126/science.6171034 (1981).2Anderson, M. A. et al.Astrocyte scar formation aids central nervous system axon regeneration. Nature 532, 195-200, doi:10.1038/nature17623 (2016).3Magistretti, P. J. & Allaman, I. Lactate in the brain: from metabolic end-product to signalling molecule. Nat Rev Neurosci 19, 235-249, doi:10.1038/nrn.2018.19 (2018).