Cell Metabolism：丝氨酸和甘氨酸对视网膜和外周神经功能的可逆调节

2024年8月，美国洛伊医学研究所等单位的研究人员在《Cell Metabolism》（IF: 27.7）上发表了题为“Serine and glycine physiology reversibly modulate retinal and peripheral nerve function”的研究论文，揭示了饮食调节视网膜丝氨酸水平可以逆转丝氨酸缺失诱导的小鼠视网膜和周围神经病变，为神经视网膜功能障碍的遗传和代谢驱动因素提供了分子见解。

亮点概述：

通过磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）介导的丝氨酸合成和甘氨酸裂解可以提高视网膜丝氨酸水平。
循环系统是视网膜丝氨酸的主要来源，反映了全身性丝氨酸的代谢。
补充高水平丝氨酸可逆转小鼠视网膜和周围神经病变。

研究背景：

全身性代谢紊乱表现于各种组织中（例如肝脏、肌肉和脂肪）并呈现不同的疾病表型。破译这些全身性变化为何以及如何影响不同的组织从而导致疾病症状，可能有助于阐明疾病机制和确定治疗方法。2型黄斑毛细血管扩张症（MacTel）是一种可导致中心视力丧失的神经退行性视网膜疾病。MacTel的遗传驱动因素很复杂，主要集中在丝氨酸和甘氨酸代谢上，并且患者具有低水平循环丝氨酸和甘氨酸的全身性代谢特征。

丝氨酸参与许多支持细胞稳态、增殖和功能的基本代谢过程。它与甘氨酸属于非必需氨基酸，可以（1）通过饮食获得；（2）通过PHGDH、磷酸丝氨酸氨基转移酶（PSAT）和磷酸丝氨酸磷酸酶（PSPH）催化的反应从葡萄糖从头合成；或（3）通过甘氨酸裂解系统（GCS）和叶酸介导的丝氨酸羟甲基转移酶（SHMT）的一碳代谢途径再生。

MacTel是一种多基因疾病，但大多数患者的循环丝氨酸和甘氨酸水平较低，且鞘脂谱异常。鉴于丝氨酸在MacTel中的核心作用，研究人员假设队列中可能存在其他支持丝氨酸稳态通路中携带罕见变异的患者，且这些患者可能会表现出全身性代谢谱改变。为了验证这一点，使用了大规模的MacTel患者队列和对照个体，在禁食状态下进行血清氨基酸和鞘脂的定量分析。靶向代谢组学分析表明，MacTel患者中丝氨酸和甘氨酸水平降低，非典型1-脱氧鞘脂（doxSLs）和丙氨酸水平升高；丝氨酸生物合成亚组也显示出doxSL水平升高的趋势；GCS变异亚组则表现出循环中丝氨酸和甘氨酸水平有降低的趋势，且doxSL水平升高。这部分结果表明，与更广泛的MacTel队列相比，在丝氨酸合成过程中携带变异的MacTel患者其全身性丝氨酸变化更为显著，提示这些酶的单倍剂量不足可能会加剧患者的代谢缺陷。

携带与丝氨酸代谢相关的罕见遗传变异的MacTel患者亚组的循环丝氨酸水平发生了变化

值得注意的是，尽管MacTel患者的丝氨酸和甘氨酸变化是全身性的，但该疾病却表现在视网膜上，这表明视网膜可能具有独特的丝氨酸和甘氨酸敏感性或需求。因此，研究人员首先试图表征小鼠眼睛中丝氨酸和甘氨酸的不同来源。为了检测从循环中摄取氨基酸的情况，使用[U-¹³C₃]丝氨酸和[U-¹³C₂]甘氨酸注入小鼠体内，并量化了稳定同位素在血浆、肝脏、肾脏、大脑和眼睛中的富集程度。结果显示，在[U-¹³C₃]丝氨酸注射的小鼠中，与血浆中的标记相比，眼组织中的丝氨酸富集程度最高，而肝脏和肾脏的富集程度高于大脑。不仅视网膜似乎能从循环中高度转运丝氨酸，而且视网膜色素上皮（RPE）/脉络膜中的丝氨酸水平似乎也与循环中的丝氨酸水平密切相关，因为提高丝氨酸输注速率会导致更高的视网膜丝氨酸水平。另一方面，在[U-¹³C₂]甘氨酸标记的各组织中，肝脏、肾脏和RPE/脉络膜中[U-¹³C₂]甘氨酸的水平最高，而大脑和视网膜中含量较低，说明肝脏和肾脏是参与甘氨酸代谢的主要组织。这部分结果验证了先前的报道，即循环丝氨酸可以影响视网膜健康。

视网膜丝氨酸主要从循环中获得

氨基酸的靶向代谢组学分析表明，甘氨酸在血浆和各种组织（包括视网膜和RPE在内）中的丰度明显高于丝氨酸。然而，与肾、肝和视网膜中的甘氨酸与丝氨酸比率均大于10倍不同的是，RPE中的这一比率明显较低，这表明RPE中的甘氨酸不仅在血浆中趋于平衡，还可能通过GCS转化为丝氨酸。GCS是甘氨酸的主要降解途径，与丝氨酸和一碳代谢密切相关。基因表达分析显示，视网膜和RPE层均表达GCS中的酶和SHMTs。接下来，为了确定眼部是否通过GCS合成丝氨酸，研究人员开展了体内外[U-¹³C₂]甘氨酸示踪实验，发现在视网膜和RPE/脉络膜层组织中都观察到了由甘氨酸产生的显著的丝氨酸M+3标记，说明神经视网膜和RPE/脉络膜中存在局部GCS活性。这些数据首次表明，与肾脏一样，眼部能够利用其甘氨酸池和一碳代谢作为丝氨酸的来源。

甘氨酸裂解和从甘氨酸合成丝氨酸在视网膜和RPE/脉络膜中活跃

通过PHGDH的丝氨酸从头合成是神经系统中丝氨酸的主要来源，并且在视网膜中也有观察到。为了更好地评估PHGDH对眼部丝氨酸稳态的贡献，研究人员量化了注射 [U-¹³C₆]葡萄糖2h后小鼠视网膜、RPE/脉络膜和其他组织中的丝氨酸富集情况。发现在RPE/脉络膜和视网膜中检测到大量葡萄糖来源的丝氨酸，其富集水平接近于在大脑中测量到的水平，这证明了循环是视网膜组织中丝氨酸的主要来源。接着，为了验证视网膜特异性的从头丝氨酸合成是否在体内对视网膜丝氨酸的合成有所贡献，研究人员在喂食对照饮食或不含丝氨酸/甘氨酸饮食3个月的小鼠中进行了类似的葡萄糖示踪实验。发现在不含丝氨酸/甘氨酸饮食喂养的小鼠的视网膜组织中丝氨酸标记略有增加，进一步支持了该途径在视网膜中的活性及其潜在的灵活性。最后，为了确认这条途径在组织内的活性，研究人员在体外进行了类似的示踪研究，结果在视网膜和RPE/脉络膜中均测得了显著的M+3丝氨酸标记。总之，这部分数据表明神经视网膜利用了多种来源的丝氨酸，主要来源是饮食和全身代谢所驱动的循环，另外还有葡萄糖的局部合成和甘氨酸通过GCS的潜在再生。此外，RPE似乎通过摄取丝氨酸和甘氨酸并利用葡萄糖和甘氨酸产生丝氨酸来提供额外的局部支持。

葡萄糖从头合成丝氨酸有助于视网膜丝氨酸水平

虽然长期的低丝氨酸水平会影响视网膜和周围感觉神经的功能，但尚不清楚这种代谢驱动的表型是导致永久性还是可逆性神经病变。因此，接下来研究了将小鼠转换到补充丝氨酸或对照饮食（即控制氨基酸饮食）上是否能够逆转因饮食中丝氨酸和甘氨酸限制引起的视网膜和周围神经病变缺陷。发现采用不含丝氨酸/甘氨酸饮食喂养12个月后，小鼠的明视B波视网膜功能缺陷建立。当改变饮食4个月后，与继续采用不含丝氨酸/甘氨酸饮食的小鼠相比，补充丝氨酸的饮食恢复了视网膜功能，且使热痛觉减退的表型得到了恢复。正如预期的那样，将小鼠换成对照组和补充丝氨酸的饮食恢复了血浆、视网膜和RPE层中的丝氨酸和甘氨酸水平。与对照组小鼠相比，补充丝氨酸的饮食进一步提高了血浆、视网膜和RPE/脉络膜中的丝氨酸水平。总体而言，这些数据表明，通过饮食干预恢复丝氨酸水平，可以逆转丝氨酸相关的视网膜缺陷和热痛觉减退。因此，这些代谢诱导的神经病变表型可能代表了感觉或视觉感知的变化，而非神经元的退化。