Nature Metabolism:饿一饿更健康?饮食限制破解tau蛋白病的“糖原陷阱”
神经元糖原分解通过磷酸戊糖途径缓解tau蛋白病的氧化应激机制
2025年6月,美国巴克衰老研究所的相关研究人员在《Nature Metabolism》(IF:20.8)上发表了题为“Neuronal glycogen breakdown mitigates tauopathy via pentose-phosphate-pathway-mediated oxidative stress reduction”的研究论文,揭示了饮食限制(DR)通过促进糖原分解发挥神经保护作用,为拓展阿尔茨海默病(AD)等tau蛋白病治疗范围提供了思路。
亮点概述:
- 在果蝇和人类tau蛋白病中,DR促进糖原分解,减少神经退行性变,延长寿命。
- 神经元糖原分解通过磷酸戊糖途径(PPP)减少氧化应激,改善tau蛋白病表型。
- tau蛋白与糖原结合可能形成恶性循环,加剧糖原积累和tau蛋白聚集,破坏细胞稳态。
研究背景:
Tau蛋白病包括一系列神经退行性疾病,例如AD和伴有tau包涵体的额颞叶变性(FTLD-tau),目前尚无成功的治疗方法。研究发现,AD、FTLD-tau、进行性核上性麻痹(PSP)等多种tau蛋白病患者大脑中均存在葡萄糖代谢异常导致的低代谢状态。
神经元内糖原代谢异常与学习记忆功能受损密切相关。在AD、肌萎缩侧索硬化(ALS)、缺血性中风等神经退行性疾病中均存在异常糖原积聚现象,提示糖原代谢紊乱可能与神经退行性病变进程存在关联。糖原作为一种储存形式的糖,在营养匮乏条件下作为能量来源,主要存在于肝脏和骨骼肌中。大脑中含有少量糖原,主要储存在星形胶质细胞中,为神经元提供能量来源。神经元也含有少量糖原,但神经元特异性糖原的具体功能仍不明确。
首先,研究人员通过elav-Gal4泛神经元驱动因子在神经元中过表达人类突变型tau蛋白(tauR406W)和野生型tau蛋白(tauWT),成功构建了具有神经退行性表型和寿命缩短特征的tau蛋白病黑腹果蝇模型。在自由饮食(AL,5%酵母)条件下,神经元中表达tauR406W的成年果蝇平均寿命仅为8.7天,表达tauWT的果蝇平均寿命为21.8天,而对照组(elav-Gal4/+)达37.2天。在饮食限制(DR,0.5%酵母)条件下饲养的表达tauR406W的果蝇,其平均寿命显著增加了3.5倍。尽管DR挽救了tauWT和tauR406W疾病模型的寿命,但研究人员主要使用tauR406W果蝇模型来了解tau蛋白病及其与饮食的相互作用。通过TUNEL染色和甲苯胺蓝染色进一步研究了DR在tauR406W果蝇模型中的神经保护作用,发现与对照组相比,tauR406W果蝇大脑TUNEL阳性细胞显著增加,而在DR组这种增加减少了62.6%;与AL果蝇相比,DR还显著减少了tauR406W果蝇脑组织中的空泡样病变。总体而言,这些结果表明,饮食中酵母(蛋白质的主要来源)的限制可防止神经退行性变,并延长tau蛋白病果蝇模型的寿命。因此,识别DR赋予神经保护作用的机制将揭示针对tau蛋白病的重要靶点。
DR可以防止tau果蝇神经退行性病变并延长其寿命
为阐明DR介导神经保护作用的机制,研究人员对AL和DR条件下tauR406W果蝇及对照果蝇的头部进行了无偏向性蛋白质组学分析,共鉴定并定量了超过1500种因饮食或疾病因素使得表达水平发生改变的蛋白质。与对照组果蝇相比,突变tau果蝇头部表达改变的蛋白质显著重叠于那些AL相对于DR对照果蝇头部表达改变的蛋白质,这进一步支持了饮食与tau蛋白病之间存在的相互作用。蛋白质组学分析发现,在tau突变和AL两种条件下,134种蛋白上调(主要富集于脂肪代谢和糖原代谢通路),324种蛋白下调(主要影响氧化磷酸化和谷胱甘肽代谢)。
鉴于相似的蛋白表达谱且tauR406W对寿命的影响更为显著,研究人员选择tauR406W果蝇进行后续机制研究,发现在tauR406W和AL果蝇中糖原代谢相关蛋白,包括糖原磷酸化酶(GlyP)、磷酸葡萄糖变位酶(PGM)、糖原合酶和1,4-α-葡聚糖分支酶(AGBE)显著上调。在AL和DR条件下,tauR406W果蝇大脑中的糖原积累分别增加了28.3%和32.2%,未观察到DR介导的果蝇大脑中糖原水平的减少,可能是因为tauR406W果蝇在DR饮食下总体周转率更高。在神经元中过表达GlyP使糖原储存减少38.8%,寿命延长69.7%,凋亡细胞减少80%。这部分结果表明,在tau蛋白病果蝇模型的大脑中,糖原代谢受到干扰,导致糖原积累。此外,神经元特异性的糖原分解激活部分缓解了tau蛋白病。
糖原代谢在tau蛋白病中发生改变,而糖原分解可防止黑腹果蝇模型中tau蛋白病引发的神经退行性变
在营养匮乏条件下,糖原分解通过糖酵解生成丙酮酸来供能。丙酮酸可进一步转化为乙酰辅酶A(三羧酸循环的关键底物),用于产生电子供体NADH和FADH,它们在氧化磷酸化过程中用于产生ATP。糖原分解产物葡萄糖-6-磷酸可进入PPP,生成谷胱甘肽(一种活性氧清除剂)。活跃的PPP还可产生结构糖,如核酮糖-5-磷酸,这是核苷酸合成的前体。
于是,研究人员对GlyP过表达的tauR406W果蝇大脑分别进行靶向代谢组和RNA测序分析,发现GlyP过表达导致核酮糖-5-磷酸增加44.3%,PPP被激活,而糖酵解和三羧酸循环相关基因表达下调。两部分结果共同表明,糖原分解并不促进糖酵解。在PPP的氧化阶段,NADPH通过还原谷胱甘肽来清除活性氧。此外,功能实验证实GlyP过表达能减少tauR406W果蝇大脑中的活性氧水平和细胞凋亡并延长寿命,然而,使用6-氨基烟酰胺(6-AN,葡萄糖-6-磷酸脱氢酶抑制剂)阻断PPP后可完全逆转这些保护作用。说明GlyP介导的糖原分解会下调糖酵解途径,同时促进代谢物向PPP分流,减少了活性氧介导的氧化应激。
神经元中的糖原分解将葡萄糖分流至PPP,从而减轻氧化应激
蛋白质组学研究显示,tauR406W果蝇模型及AD患者大脑中GlyP表达显著上调。这种上调可能是细胞对疾病状态下代谢紊乱的代偿性反应。由于糖原分解可以通过激活蛋白激酶A(PKA)被经典的环磷酸腺苷(cAMP)介导的途径激活。于是进一步探究DR介导的神经保护及延寿效应是否通过激活GlyP实现。实验发现,与AL组相比,DR组tauR406W及对照组果蝇GlyP酶活性增加了3.5倍,并伴随着腺苷酸环化酶的基因表达上调和cAMP浓度升高,推测DR主要通过增强PKA活性来促进GlyP功能。接着,为确认cAMP介导的途径激活了GlyP,研究人员用8-Br-cAMP(一种cAMP的抗水解化学类似物)处理了tauR406W果蝇。发现8-Br-cAMP处理后GlyP活性达到DR组水平,延长寿命约2倍,减少细胞凋亡和活性氧水平。此外,GlyP突变体果蝇证实DR的延寿效应完全依赖GlyP激活。总之,该结果支持DR通过增强神经元中的cAMP来激活糖原分解,促进PPP以减少大脑中的活性氧和氧化应激,进而抑制细胞凋亡,并延长tauR406W果蝇的寿命。
DR激活GlyP保护黑腹果蝇免受tau蛋白病的影响
通过将黑腹果蝇数据集与人类数据集进行交叉比对,研究人员发现在人类数据集中,PYGB(大脑特异性GlyP的人同源基因)和PGM在AD患者或tau蛋白水平升高者的大脑中表达显著上调。随后,又研究了糖原积累及GlyP在诱导多能干细胞(iPSC)来源的神经元模型中的作用——这些细胞模型携带导致FTLD-tau的MAPT突变。实验采用两种FTLD-tau iPSC系(tauR406W和tauV337M)及纠正了MAPT突变的同源iPSC(iso-tauR406R和iso-tauV337V)。结果表明人类tauR406W iPSC衍生神经元模型中的tau蛋白病变也会导致糖原积累。为进一步探究tau蛋白病中糖原积累的原因,研究人员在一项tau蛋白相互作用组的研究中鉴定出几种与tau相关的蛋白,其中包括糖酵解途径相关蛋白(如PGM1和PYGB)。据报道,糖原在有丝分裂期间的微管组装中发挥重要作用,既是拥挤剂,又是能量来源。基于这些先前的信息,研究人员推测tau蛋白可能与糖原相互作用,tau过表达或聚集可能导致糖原积累。随后免疫标记、随机线强度分布分析等实验证实了这一猜想。这部分结果表明AD患者及FTLD-tau体外模型的大脑中存在的糖原代谢紊乱。更重要的是,通过过表达GlyP激活糖原分解,成功地挽救了果蝇和人类神经元tau蛋白病理模型中的疾病表型。
在tau蛋白病患者来源的iPSC分化的神经元中,糖原代谢发生显著异常
综上所述这项研究首次将神经元糖原代谢确立为tau蛋白病的核心特征,并证实靶向糖原分解是可行的治疗策略,可通过开发激活GlyP的药物,或模拟DR干预措施,为多种神经退行性疾病患者带来新希望。