Cell︱突破！大中性氨基酸在调节神经元代谢状态、兴奋性和围产期神经元存活中发挥重要作用

撰文︱贺春辉责编︱王思珍，方以一

大脑皮层是极为重要和复杂的系统，包含上百亿个左右的神经元，这些神经元之间组成的错综复杂的神经元网络，是更高的认知能力和反应、长期记忆、感觉和情感功能，以及自主运动行为的中心[1]。大脑皮层的发育需要许多步骤的精准协调，以实现发育中神经元的正确定位和功能整合。基因突变或环境变化都可能会扰乱发育分子事件，最终引起发育紊乱和精神疾病。大量的研究表明婴幼儿时严重营养不良将影响大脑的发育，而某种营养成分的过多或过少还会导致精神、行为的改变[2, 3]。关于神经细胞在发育过程中必须经历的关键代谢变化，以及这些代谢变化如何影响大脑环路功能和行为一直以来知之甚少。溶质载体（SLC）家族成员因其跨膜转运分子的能力以及在神经精神疾病中的作用而备受关注。SLC可转运包括神经递质、脂肪酸、氨基酸和无机离子在内的所有分子，在细胞能量代谢方面发挥重要作用。Slc7a5是SLC家族成员之一，在维持脑中大中性氨基酸（LNAAs）和支链氨基酸（BCAA）正常水平中具有重要作用，其突变与自闭症（ASD）高度相关[4]。然而，这些氨基酸的水平是否以及如何随着时间在大脑中变化，以及其数量的波动如何影响神经发育的进程，仍然是很大的未知。因此，了解并阐明特定代谢产物如何影响大脑发育成熟可能是预防或纠正神经发育缺陷的关键。

2023年3月29日，奥地利科学技术学院（ISTA）的Gaia Novarino研究团队在Cell杂志上发表了题为“Large neutral amino acid levels tune perinatal neuronal excitability and survival”文章，揭示了特定营养成分对大脑发育的重要性。研究发现大脑在发育过程中经历代谢重编程，敲除神经元Slc7a5后引起皮层浅层兴奋性神经元放电活动降低，出现细胞自主性细胞凋亡，引起出生后大脑萎缩，最终导致精细运动和社交功能障碍。这项研究阐明了神经元协调营养相关基因的表达与神经元活动调节以确保大脑正常发育的机制，强调了饮食摄入必需氨基酸对大脑发育的重要性。

神经元在发育成熟过程中，神经祖细胞（NPCs）主要依赖于厌氧糖酵解，而成熟神经元则主要通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生ATP，但由于其能量需求高且无法储存糖原，因此依赖星形胶质细胞提供代谢支持[5, 6]。然而，尚不清楚成熟神经元在发育中期缺乏完全神经胶质支持时是如何满足其能量需求的。为了了解大脑成熟过程中发生的代谢过程，研究人员对不同时间点的小鼠（胚胎14.5天（E14.5），出生后2天（P2）和出生后40天（P40））的大脑皮层进行高效液相色谱（HPLC）分析，共定量分析346种代谢产物，发现这三个时间点的大脑皮质都处于不同的代谢状态。具体来说，（相对于E14.5时期）嘌呤和磷酸戊糖通路相关代谢物在P2 时期表达增加，氨基酸相关代谢产物表达下降。谷氨酰胺和谷氨酸胺相关代谢物在P40 时期表达增加，氨基酸相关代谢产物表达也下降。 进一步通过代谢物聚类分析发现，cAMP以及神经活性受体-配体等大多数信号通路相关代谢产物在P2和P40之间急剧增加，而支链氨基酸（BCAA）及其相关代谢产物随着时间推移逐渐下降（图1），这个发现引起了研究者的注意，因为BCAA是SLC7A5转运蛋白的底物，而之前的研究发现Slc7a5是自闭症的风险基因[4]。

图1. 前脑在不同发育阶段特定的代谢状态

鉴于神经元成熟过程中BCAA及其相关代谢物的水平变化，研究者接下来研究了限制BCAA供给对神经元发育的影响。通过条件性基因敲除（Conditional knockout mice, CKO）构建了在皮层和海马兴奋性神经元特异性敲除LNAA的主要转运蛋白Slc7a5 的CKO小鼠（Slc7a5^fl/fl;Emx1-Cre+）。通过比较野生型小鼠和CKO小鼠在不同时期的代谢物发现，敲除Slc7a5后并不影响小鼠皮层发育过程中的整体代谢谱，但如预期一样，敲除Slc7a5对氨基酸的代谢影响最大，在P2时期氨基酸水平明显增加（如亮氨酸，异亮氨酸，甲硫氨酸和色氨酸等），表明Slc7a5在新生小鼠神经元发育中扮演重要作用。进一步的研究发现，氨基酸相关代谢产物的升高是由于Slc7a5缺陷，导致Slc7a5无法与Slc3a2形成异源二聚体转运氨基酸，进而使LNAA在细胞外空间累积，而不被神经细胞消耗（图2）。

图2. 新生儿的代谢状态依赖于Slc7a5的表达

接下来研究者进一步比较了同窝野生型小鼠和Slc7a5 CKO小鼠，发现出生时未表现出明显的生长缺陷，然而，到P40时，CKO小鼠的大脑显著小于其对照同窝小鼠，大脑重量从出生后第1周开始明显降低，并且从P10开始保持稳定差异。组织学分析显示，P40 时CKO 小鼠的大脑皮层明显变薄，主要表现为皮层II-III层变薄。进一步的分子实验发现在P2和P5时皮层第II-III层促凋亡蛋白Cl-caspase-3表达增加，表明皮层变薄是由于出生后神经元凋亡增加导致。重要的是，在SLC7A5基因突变的患者儿童中也发现大脑体积的萎缩（图3）。为进一步证实 Slc7a5基因突变相关的细胞凋亡是依赖于细胞自主性调控还是细胞非自主性调控，研究者通过双标记镶嵌分析（MADM）技术同时实现对 SLC7A5正常表型（tdTomato，红色）和突变的单克隆神经元（eGFP，绿色）稀疏标记，发现在P5和P40 Slc7a5敲除小鼠中Slc7a5突变表型神经元数量明显减少，这就表明Slc7a5基因突变相关的细胞凋亡是依赖于细胞自主性调控的。

图3. Slc7a5突变导致出生后小脑畸形

以往研究表明在出生后的程序性细胞死亡过程中神经元兴奋性可决定皮层锥体神经元的存活[7, 8]。通过电生理膜片钳实验发现P6-P7时Slc7a5敲除小鼠躯体感觉皮层II-III层锥体神经元放电频率显著减少，但在P25-26时期放电活动并没有出现变化。表明Slc7a5在出生后早期在调节神经元兴奋性方面发挥重要作用。为了进一步评估Slc7a5突变小鼠在皮层环路精细化调控过程中观察到的改变是否会导致永久性的行为异常，研究者接下来对成年小鼠进行了行为学测试，旷场实验发现成年Slc7a5敲除小鼠的运动距离增加，运动速度增加。步态实验发现Slc7a5敲除小鼠存在明显的精细运动障碍，在三箱社交行为实验中，Slc7a5敲除小鼠存在明显的社交能力和社交记忆缺陷。这些行为学结果表明Slc7a5敲除后可引起小鼠明显的运动和社交障碍且这些行为模式与SLC7A5基因突变患者的行为模式非常相似（图4）。

图4. 皮质兴奋性神经元中Slc7a5缺失导致持续性行为功能障碍

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究结合发育生物学、电生理学及行为学等多种手段，揭示了哺乳动物神经元如何协调代谢相关基因的表达与神经元活动调节以确保大脑正常发育的新模式，强调了饮食摄入必需氨基酸对大脑发育的重要性，详细地展示了营养代谢的微小变化如何对大脑发育和功能产生严重后果。同时，该研究也提示了Slc7a5缺失可能是自闭症等神经精神疾病发生发展的关键机制之一，为氨基酸作为新的治疗靶点为ASD治疗提供治疗的新方向。但由于受限于代谢途径研究的手段，文章对于神经元代谢状态研究并未在特异细胞类型上。另外，由于代谢通路的不同分支之间复杂的相互联系，确定代谢物之间的因果关系仍缺乏强有力的证据。因此，为了更好地了解人脑在发育过程中的代谢变化，多种模型系统的组合将是必要的。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36996814/

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【3】会议通知︱2023年成瘾与脑科学国际研讨会暨中国药物滥用防治协会成瘾与脑科学分会第一届学术会议（2023年4月9-10日，深圳）【4】会议通知︱2023中国衰老科学大会第一轮通知（2023年4月21-23日，北京）【5】会议通知︱中国神经科学学会神经影像学分会2023学术年会（2023年5月19-21日，广州）【6】学术会议预告︱Novel Insights into Glia Function & Dysfunction（2023年4月24-28日，日本）【7】会议通知︱第六届中国神经科学学会神经退行性疾病分会年会会议通知（2023年4月7-9日，湖南长沙）          参考文献（上下滑动查看）  

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编辑︱王思珍
本文完