Katrien De Bock团队揭示：GLUT1葡萄糖转运体在出生后中枢神经系统血管生成和血脑屏障完整性中的作用

1. 引言

内皮细胞(Endothelialcells，ECs)是高度糖酵解的，主要通过葡萄糖分解为乳酸产生能量，同时，ECs的主要作用是将葡萄糖输送到周围组织。促进性葡萄糖转运体亚型1(glucose transporterisoform 1,GLUT1)在中枢神经系统(central nervoussystem,CNS) 的ECs中高表达，常与血脑屏障 (blood-brain barrier ,BBB) 功能障碍有关，但GLUT1是否以及如何控制ECs的代谢和功能尚不清楚。

2020年5月14日，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的Katrien De Bock团队在Circulation Research杂志上发表了题目为“Role of the GLUT1 Glucose Transporter in Postnatal CNS Angiogenesis and Blood-Brain Barrier Integrity”的研究性论文，发现GLUT1是ECs中主要的葡萄糖转运体，在静止期以Notch依赖方式与糖酵解解偶联，对发育中的中枢神经系统血管生成和成人中枢神经系统稳态是至关重要的，但不影响血脑屏障功能。

现在一起来看看这篇文章的整体研究思路：

2. 材料与方法

• 细胞培养：小鼠脑微血管内皮细胞（bEND3cells），人肾微血管内皮细胞（HRMV ECs）,人原代脑内皮细胞（HBMVECs）
• 小鼠模型：内皮特异性GLUT1敲除小鼠（GLUT1EC-/-）
• 分离原代人脑的内皮细胞
• 分离原代小鼠脑、骨骼肌、肺的内皮细胞
• FACS/MACS分离小鼠脑内皮细胞用于RNAseq

3. 研究结果

1）GLUT1控制ECs中的葡萄糖摄取和糖酵解

首先，作者在体外研究了GLUT1在ECs葡萄糖代谢中的作用。使用选择性GLUT1抑制剂BAY-876，发现抑制了14C -3- o -甲基葡萄糖(3MG)进入bEND3细胞；泛GLUT1抑制剂cytochalasin B也得到了同样的结果，且GLUT1抑制完全消除了糖酵解。在HRMV ECs、HBMV ECs、胶质母细胞瘤患者、颞叶切除和杏仁核-海马切除病人上分离得到的脑内皮细胞上得到了同样的结果。此外，还发现GLUT1抑制降低了能量利用率，增加了AMP/ATP的比例，导致AMP激活的蛋白激酶AMPK的激活。

2 ）GLUT1抑制降低了EC的增殖而不是迁移

既然GLUT1抑制减少糖酵解和激活的AMPK/p53，那么GLUT1是否是增殖和迁移所必需的呢？在bEND3细胞中，研究者观察到GLUT1抑制可使增殖减少约40%。cytochalasin B几乎完全阻断了细胞的增殖。

有趣的是，使用划痕试验评估迁移，GLUT1抑制下仅轻度延迟，而在细胞松弛素B处理下则严重减弱。与增殖抑制剂mitomycin C平行处理表明，伤口闭合减少是由于增殖减少，表明GLUT1抑制并不影响ECs迁移。最后，GLUT1抑制降低了HUVEC、HBMV和HRMV EC球状体的新生血管生成。

3 ）GLUT1在静止期表达增加

接下来，研究者检测了GLUT1在诱导静止期（即ECs从活跃的增殖和迁移转变到成熟的紧密排列的细胞，形成一个活跃的屏障，允许营养物质运输）时是否被正调控。

在体外，培养的接触抑制（contact inhibition，CI）的HUVECs 可作为ECs静止的模型。静止的ECs下调通过抑制PFKFB3下调糖酵解，下调的糖酵解仍然依赖于GLUT1。令人惊讶的是，尽管glycolysis/PFKFB3较低,，CI细胞GLUT1较高。研究者在此发现了Notch控制GLUT1的表达，过表达Notch胞内结构域(NICDOE)可增加GLUT1表达。

旁白：体外实验做的太漂亮了有木有，下面开始是体内实验哦！

4 ）内皮细胞GLUT1的缺失控制了视网膜和大脑的新生血管生成

为了在体内研究内皮细胞GLUT1，研究者在GLUT1EC-/-小鼠上发现Glut1敲除能明显减少ECs的糖酵解和增殖。分别在GLUT1EC-/-小鼠视网膜、大脑、神经元、血管方面检测了表型变化。发现EC-GLUT1的缺失减少了视网膜和大脑的新生血管生成；会导致神经元的进行性缺失、中枢神经系统的炎症和迅速的致命性，但不会损害血管功能或血脑屏障的物理特性。

5 ）由脑ECs中GLUT1缺失引起的基因改变

为了进一步探索GLUT1是如何控制ECs功能的，研究者对出生后6天（P6）和成年(首次注射tamoxifen 9天后) GLUT1EC-/-鼠大脑分离的ECs进行RNAseq分析，比较了EC-GLUT1缺失引起的转录组改变。在P6时, 447个基因在WT和GLUT1-/- ECs之间有差异表达。

随后的基因集富集分析表明，在差异表达最多的通路中，有几个与p53相关，证实了体外实验结果。在成年鼠脑ECs中，WT和GLUT1-/- ECs有1494个基因差异表达，但没有其他GLUTs的代偿性增高，此外，基因表达变化分析证明了炎症和细胞外基质激活。

4. 总结

这篇文章的研究发现看这一张图就全明白了！

该研究证明了GLUT1是ECs中主要的葡萄糖转运体，是EC糖酵解所必需的。内皮细胞凝集素- 1的缺失降低了内皮细胞的能量利用率，在不影响迁移的情况下减少了增殖，从而延缓了血管生成。

此外，在静止的ECs中，GLUT1与ECs糖酵解解离，成年期EC-GLUT1的缺失改变了CNS稳态，导致癫痫，但不改变血脑屏障的物理屏障特性和控制或参与血脑屏障功能的基因表达。

5. 启发与问题

1）本研究通过体外、体内实验，充分进行了验证，涉及的范围非常广，工作量巨大。无论是研究思路，实验方法与设计，还是文章逻辑严谨性方面都具有很好的借鉴意义。

2）本研究仍然具有一定的局限性

• 脑ECs中的GLUT1缺失激活了炎症基因，在出生后的血管生成和成年静止ECs中都是如此，表明这是独立于EC-GLUT1缺失的结果。ECs中炎症通路的上调是由EC-GLUT1缺失引起的主要事件，还是由胶质增生和癫痫发作引起的次要事件，仍有待阐明。
• 由于血脑屏障上的炎症在癫痫的发病机制中起着至关重要的作用，未来的研究应该揭示观察到的EC-GLUT1缺失后的严重致命表型是否是通过激活ECs内的炎症通路介导的。

参考文献：

Veys, Koen, et al."Role of the GLUT1 Glucose Transporter in Postnatal CNS Angiogenesis andBlood-Brain Barrier Integrity." Circulation Research (2020).

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