Nat Metab︱高志华/段树民课题组揭示糖代谢关键酶Ⅱ型己糖激酶调控小胶质细胞功能的新机制

来源︱AiBrain

责辑︱王思珍，方以一

编辑︱王思珍

小胶质细胞是脑实质中主要的固有免疫细胞，来源于卵黄囊，在发育早期就进入中枢神经系统并维持自我更新。脑中的小胶质细胞始终通过突起不停地伸出和回缩来监控大脑微环境的变化，其对于识别脑中出现的危险信号具有重要作用，对于维持中枢神经系统的生理稳态是至关重要的[1-2]。

在中枢神经系统损伤状态下，小胶质细胞会快速响应损伤信号、快速迁移并大量增殖，同时发挥其作为免疫细胞的一系列免疫调控作用，能够直接影响疾病的发生发展[3-5]。传统上针对小胶质细胞在中枢神经系统疾病中的调控主要是在基因的转录水平上进行，而对于小胶质细胞基本代谢特征以及其在疾病进程中的代谢变化一直以来是不清楚的。

2022年12月20日，浙江大学医学院脑科学与脑医学学院高志华教授与段树民院士团队在Nature Metabolism上在线发表“Dual roles of hexokinase 2 in shaping microglial function by gating glycolytic flux and mitochondrial activity”的研究论文。该研究通过大数据筛选、转基因工具鼠验证、代谢检测及生理病理功能检测，揭示了小胶质细胞特异高表达的Ⅱ型己糖激酶（Hexokinase 2，HK2），并通过体内外实验证明HK2在调控小胶质细胞生理和病理功能中的作用及机制。

1. 小胶质细胞特异性表达Ⅱ型己糖激酶

作者首先对脑中不同细胞类型的测序数据进行分析，抽取所有代谢基因进行分析比较，发现小胶质细胞的代谢与其他细胞相比具有显著不同；随后进一步分析小胶质细胞特异性表达25个关键代谢基因，鉴定出小胶质细胞特异性表达HK2。随后作者通过提取不同类型原代细胞进行Western blot、小鼠脑片Hk2 RNA原位杂交、更是构建以HK2作为启动子的荧光报告小鼠，验证小胶质细胞特异性表达HK2（图1）。

图1 己糖激酶2在脑小胶质细胞中的限制性表达。（图源：Hu Y, et al., Nat Metab, 2022）

2. HK2对于维持小胶质细胞糖代谢起关键作用

为探究HK2是否是调节小胶质细胞糖代谢的关键酶，作者构建了Cx3cr1^CreER/+-HK2^f/f小鼠来条件性敲除小胶质细胞的HK2，随后提取原代小胶质细胞，通过seahorse检测发现HK2敲除后小胶质细胞的糖酵解ECAR和氧化磷酸化OCR水平都显著降低；此外，作者还从人脑样本分选了小胶质细胞，使用HK2抑制剂同样发现人小胶质细胞的糖酵解ECAR和氧化磷酸化OCR水平显著降低，进一步证明HK2对于维持小胶质细胞糖代谢的重要性（图2）。

图2 己糖激酶2调节小胶质细胞代谢通量。（图源：Hu Y, et al., Nat Metab, 2022）

3. HK2可以参与维持小胶质细胞的运动和迁移

HK2敲除导致能量不足是否会进一步影响小胶质细胞基本功能？作者首先对小胶质细胞的基础运动和损伤迁移功能进行检测。作者构建了Cx3cr1^CreER/+-HK2^f/f-Ai14^f/+小鼠，随后使用双光子显微镜观察静息状态下小胶质细胞突起的运动情况，发现HK2敲除后小胶质细胞突起的动态监测能力显著下降；随后在小鼠皮层进行激光损伤，观察小胶质细胞对损伤信号的响应，发现HK2敲除后小胶质细胞对损伤的响应能力较差，无法及时到达激光损伤位点。这一结果说明HK2敲除会影响小胶质细胞的基础运动和迁移（图3）。

图3 HK2是小胶质细胞运动和动力学所必需的。（图源：Hu Y, et al., Nat Metab, 2022）

4. HK2敲除影响小胶质细胞的增殖能力

小胶质细胞具有很强的增殖能力，在正常稳态下小胶质细胞维持较低的自我更新能力，但在急性清除后或疾病状态下能够快速大量增殖，那么HK2敲除是否为影响小胶质细胞的再生呢？

作者使用集落刺激因子1的抑制受体(CSF1R)的饲料PLX5622喂养2周，快速清除脑中小胶质细胞，小胶质细胞能够在停药后一周内快速恢复到正常数量。通过停药后小胶质细胞再生速度的比较，作者发现HK2敲除会导致小胶质细胞再生速度显著降低，特别是其在急性再生时期的增殖速度。同时作者在急性增殖的第三天分选对照和小胶质细胞HK2敲除组小鼠的小胶质细胞进行单细胞测序，也同样发现HK2敲除后小胶质细胞的发育显著受阻，其细胞周期相关基因被显著抑制。这些实验结果说明，HK2对于小胶质细胞的急性增殖十分重要（图4）。

图4 己糖激酶2缺乏延迟小胶质细胞的再生。（图源：Hu Y, et al., Nat Metab, 2022）

5. HK2在活化的小胶质细中上调

在肿瘤或免疫细胞中，HK的上调一般与增强的糖酵解密切相关，那么小胶质细胞的状态变化是否会影响HK2的表达？作者对多个来源测序数据分析发现，在不同类型的中枢神经系统疾病中，小胶质细胞中HK2都是显著上调的。随后作者更是在阿尔茨海默症、帕金森病、脑胶质瘤和脱髓鞘动物模型中，验证疾病状态下活化小胶质细胞上HK2均是显著上调的（图5）。

图5 激活性小胶质细胞己糖激酶2明显上调。（图源：Hu Y, et al., Nat Metab, 2022）

6. HK2敲除加重缺血导致的损伤

小胶质细胞活化时糖代谢方式主要从氧化磷酸化转化为糖酵解来促进炎症，而HK2在活化小胶质细胞中上调，HK2敲除会导致糖酵解水平降低，因此作者推测HK2敲除可能可以通过降低炎症水平和小胶质细胞增殖来缓解中枢神经系统疾病。作者选择了可以引起小胶质细胞活化和增殖的光栓缺血模型。作者首先通过HK2启动子的报告基因动物构建缺血模型，发现缺血灶周围小胶质细胞显著上调HK2；随后通过分析发现敲除小胶质细胞HK2组小鼠，表现出缺血灶周围增殖的小胶质细胞数量减少、梗死灶扩大、预后行为表现更差，同时梗死灶脑组织炎症因子水平更高等特征，说明小胶质细胞中HK2的敲除加剧了缺血的发生（图6）。

图6 己糖激酶2消融增强脑卒中模型的脑损伤。（图源：Hu Y, et al., Nat Metab, 2022）

7. HK2敲除通过影响线粒体功能从而促进炎症反应

糖酵解水平的降低一般会抑制炎症反应，但是HK2敲除导致的糖酵解水平降低却加剧炎症，作者推测HK2是否是关键的代谢检查点。作者首先在体外原代小胶质细胞上使用LPS和Poly (I:C)刺激，发现体外实验中HK2敲除也会导致炎症水平的加剧。由于HK2是定位在线粒体外膜的，因此作者检测了线粒体功能发现HK2敲除小胶质细胞的线粒体膜电位显著降低，而线粒体膜电位降低会导致线粒体产生ROS。通过线粒体ROS检测作者发现HK2敲除小胶质细胞的线粒体ROS水平显著升高，而使用线粒体ROS清除剂，能够显著降低HK2敲除小胶质细胞面对LPS等刺激时的免疫响应水平。因此这些结果说明小胶质细胞HK2敲除所导致的炎症加剧可能是由于损伤线粒体功能（图7）。

图7 HK2消融损害线粒体功能，促进免疫挑战小胶质细胞的促炎反应。（图源：Hu Y, et al., Nat Metab, 2022）

8. 小胶质细胞HK2在调控小胶质细胞功能的双重作用

这一研究主要通过多方面的技术手段证明HK2特异性表达在脑中小胶质细胞上，同时证明HK2在调控小胶质细胞功能中重要作用。HK2可以通过影响糖代谢水平进而调节小胶质细胞的运动迁移、增殖和炎症反应。这项研究还发现在多种中枢神经系统疾病中都存在小胶质细胞中HK2的显著上调，提示小胶质细胞HK2可能是中枢神经系统疾病的重要治疗靶点（图8）。

图8 己糖激酶2在塑造小胶质细胞功能中的双重作用。（图源：Hu Y, et al., Nat Metab, 2022）

原文链接：https://doi.org/10.1038/s42255-022-00707-5 

浙江大学医学院胡亚玲博士、曹克磊博士和博士生王芳为共同第一作者，浙江大学医学院高志华教授和段树民院士为本文共同通讯作者。

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参考文献（上下滑动阅读）

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2.Orihuela, R., McPherson, C. A. & Harry, G. J. Microglial M1/M2 polarization and metabolic states. Br. J. Pharmacol. 173, 649–665 (2016).

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4.Davalos, D. et al. ATP mediates rapid microglial response to local brain injury in vivo. Nat. Neurosci. 8, 752–758 (2005).

5.Shemer, A. et al. Microglia plasticity during health and disease: an immunological perspective. Trends Immunol. 36, 614–624 (2015)

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7.Huang, Y. et al. Repopulated microglia are solely derived from the proliferation of residual microglia after acute depletion. Nat. Neurosci. 21, 530–540 (2018).

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本文完