新陈代谢已被认为是先天免疫和获得性免疫的关键调控因素。糖酵解和线粒体有氧呼吸是为新陈代谢提供能量的重要途径，在免疫调控中也发挥着重要的作用。
小胶质细胞是大脑中主要的免疫细胞，主要负责保护和维持大脑活动。小胶质细胞可以对不同的外界刺激采取不同的代谢状态，例如促炎性小胶质细胞利用糖酵解来促进炎性细胞因子的合成，而免疫调节性小胶质细胞则增加脂肪酸代谢以驱动抗炎反应。此外，小胶质细胞的代谢功能障碍与多种疾病有关，包括阿尔茨海默病和慢性脱髓鞘病。因此，在不同的刺激或病理条件下，代谢变化与小胶质细胞的功能密切相关。然而关于代谢在生理条件下调节小胶质细胞的作用和机制目前仍然知之甚少。
2022年12月19日，浙江大学二附院段淑敏等在Journal of experimental & Nature metabolism（IF=19.865）杂志上发表了题为“Dual roles of hexokinase 2 in shaping microglial function by gating glycolytic flux and mitochondrial activity”的文章。在该研究中，作者发现HK2选择性地在小胶质细胞中表达，而HK1主要在大脑中的神经元和星形胶质细胞中表达。HK2的缺失会干扰小胶质细胞的糖酵解通量，导致能量缺乏状态，并削弱小胶质细胞的监视功能以及延迟小胶质细胞的再生。此外，在缺血性卒中模型中，HK2缺失加重了脑损伤，这与HK2缺失后小胶质细胞炎症反应增强及线粒体功能异常和活性氧积累有关。这些成果为研究小胶质细胞功能及脑疾病的治疗提供了理论依据。
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原文链接：https://doi.org/10.138/s42255-022-00707-5
研究背景
大脑主要使用葡萄糖作为能量来源为其新陈代谢提供动力。己糖激酶(HK)催化葡萄糖磷酸化为葡萄糖-6-磷酸，是葡萄糖利用的第一个限速酶。目前的研究已鉴定出四种主要的HK同工酶HK1、HK2、HK3和HK4，它们具有不同的生化特征和催化活性。其中HK1和HK2还与线粒体膜(OMM)有关，允许优先进入线粒体ATP促进糖酵解。而HK1和HK2以前被证明分别主要在大脑或肌肉和脂肪组织中表达，以快速供应能量。最近的研究表明，它们通过推动几种类型的免疫细胞糖酵解来促进炎症反应。值得注意的是，HKS与OMM的动态联系也可能参与炎症反应，因为线粒体是调节多种免疫信号的重要枢纽。然而，HKs是否能够调控小胶质细胞的新陈代谢从而影响其功能及脑疾病的发生，目前尚不清楚.
研究内容
1.HK2是脑内小胶质细胞特异性的代谢调控因子
作者对脑内不同细胞进行RNA测序，发现小胶质细胞的葡萄糖代谢基因簇，与其他类型的细胞明显不同，共存在25个差异表达基因，其中17个基因在小胶质细胞中高度表达，包括Hk2（图1a-e）。脑切片的FISH分析也表明，Hk2转录本在小胶质细胞中特异性的高表达（图1f-g）。同时，作者构建了一个转基因小鼠系，使得荧光蛋白在表达Hk2的细胞中表达（图1h）。FISH和免疫荧光分析表明荧光特异性地存在于小胶质细胞中，且在皮层、中脑和小脑中强度保持不变，而在其他类型细胞中则保持阴性（图1i-m）。以上结果表明小胶质细胞具有独特的代谢调节因子，而驱动葡萄糖代谢第一步的关键酶HK2在小胶质细胞中特异性表达。
图1.脑内小胶质细胞特异性表达HK2
2. HK2在小胶质细胞中抑制葡萄糖代谢
作者将小胶质细胞中的Hk2特异性敲除，并使用代谢通量测定分析了小胶质细胞的代谢状态（图2a-b）。在糖酵解应激测定中，Hk2敲除小鼠的原代小胶质细胞用两种HK抑制剂——2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）和3-溴丙酮酸（3-BrPA）处理，发现其基础和最大细胞外酸化率及耗氧率均降低，表明HK2缺失引起糖酵解和氧化呼吸阻滞（图2c-l）。此外，Mito燃料弹性测试表明HK2缺失会引起小胶质细胞对葡萄糖氧化的依赖性显著降低，并伴随着细胞乳酸和ATP水平的降低，而谷氨酰胺和脂肪酸氧化途径则没有明显的变化（图2m-s）。以上结果表明在HK2在调节小胶质细胞的葡萄糖代谢中起关键作用，HK2缺失会导致其能力不足。
图2.HK2调节小胶质细胞代谢通量
3. HK2调节小胶质细胞动力学
小胶质细胞持续监测微环境，并迅速响应脑实质的损伤，这两者都需要大量能量。作者将小鼠大脑中小胶质细胞的Hk2特异性敲除并分选出来，通过双光子显微镜观察其运动过程，发现其活跃程度和运动速度均降低（图3a-i）。在激光诱导微病变之后，对照组小胶质细胞迅速从病变部位周围向损伤处迁移并将损伤处包围，而Hk2缺失的小胶质细胞反应明显较慢（图3j-m）。以上结果表明HK2缺失会影响小胶质细胞向损伤处运动和迁移。
图3. HK2是小胶质细胞运动和动力学必须的
4. HK2缺失使小胶质细胞再增殖延迟
接下来。作者检测发现Hk2敲除后小胶质细胞的密度和形态并没有明显变化，这表明HK2对维持小胶质细胞稳态不是必需的（图4a-b）。小胶质细胞在成熟期保持相对较低的自我更新量，但在急性耗竭或疾病期间重新进入细胞周期并迅速增殖。通过喂食诱导小鼠小胶质细胞急性衰竭后，作者观察到HK2缺失小鼠相比WT小鼠增殖明显减慢，更晚恢复到正常数量（图4c-e）。此外，对小胶质细胞进行单细胞RNA测序发现，前体小胶质细胞中含有更多的HK2缺失细胞，且与正常细胞相比其细胞周期停止标志物上调而稳态标志物下调（图4f-m）。以上结果表明HK2缺失会诱导小胶质细胞细胞周期停滞，并阻碍其再增殖期间的成熟。
图4. HK2缺失延迟小胶质细胞再增殖
5.HK2在活化小胶质细胞中上调
HK升高与肿瘤细胞和激活的免疫细胞的糖酵解通量增加有关。作者分析了不同来源小胶质细胞的RNA测序数据，结果发现在LPS刺激后的小鼠小胶质细胞及衰老的脑、AD模型、帕金森症模型、冠状病毒感染的脑和脑瘤中的人类小胶质细胞中HK2均显著上调（图5a-b），免疫荧光结果也验证可这一结果（图5c-h）。以上结果表明HK2水平对小胶质细胞的状态非常敏感，在激活的小胶质细胞中HK2水平普遍上调，这可能会促进糖酵解的进行。
图5. 活化小胶质细胞中HK2显著上调
6.HK2缺失加重卒中模型中的脑损伤和行为缺陷
在脑卒中模型中，梗死部位小胶质细胞中HK2水平显著升高，说明中风后小胶质细胞活化（图6a-c）。而在Hk2条件敲除小鼠中，梗死部位的小胶质细胞密度显著减弱，梗死部位体积增大，说明HK2缺失可能加重了脑损伤（图6d-h）。接下来，作者通过圆柱体和网格行走测试检测了小鼠的运动控制能力。在正常状态下，WT和Hk2-cKO小鼠的运动控制能力没有明显差异，而在中风后Hk2-cKO小鼠表现出更明显的行为缺陷，同时也检测出其炎症因子TNF、IL-6和IL-1β以及1型干扰素反应分子，包括Ifitm3和Stat1的表达量上调（图6i-l）。以上结果表明HK2缺失加剧脑卒中模型中的脑损伤和行为缺陷。
图6. HK2在脑卒中模型中加重脑损伤
7.HK2缺失影响线粒体功能并促进炎症反应
作者推测HK2可能是小胶质细胞的关键代谢检查点，在病理状态下其缺失或升高可能会破坏代谢稳态，以驱动异常的炎症反应。首先，作者验证了HK2在LPS引发的促炎小胶质细胞中被显著诱导（图7a-d）。接着，在模拟细菌或病毒感染实验中HK2缺失的小胶质细胞反而表现出比对照组更强烈的炎症反应，并伴随着更高的微粒摄取率，暗示其吞噬作用增强（图7e-j）。线粒体是炎症激活的关键起因，作者分析发现HK2缺失后会引起线粒体膜电位降低、线粒体ROS增加、以及IL-6和IFN-β上调（图7k-r）。以上结果表明HK2缺失诱发线粒体功能障碍，从而可能促进炎症。
图7. HK2缺失损害线粒体功能，增强促炎反应
研究总结
在本研究中，作者发现己糖激酶2在大脑小胶质细胞中特异性表达，其缺失会降低小胶质细胞糖酵解通量，诱发线粒体功能障碍，从而降低能量产生：同时HK2缺失还会抑制小胶质细胞的再生，减弱其监视功能和由损伤触发的迁移能力。此外，在脑卒中模型中HK2缺失还会加重脑损伤和神经炎症，导致机体运动控制受损。揭示了鼻咽癌患者产生放疗耐受性和预后不良的原因及其机制，将焦亡作为其主要成因进行研究。这些结果为神经退行性疾病的治疗提供了潜在的策略。
转自：“学术查”微信公众号
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