Neuron | 盛祖杭团队聚焦中枢神经系统能量代谢全新机制：揭示少突胶质细胞-神经元轴突间代谢信号的跨细胞传递通路

大脑在维持正常的生理活动过程中需要消耗大量能量，约占每日个体能量总消耗的20%-25%。一旦大脑的能量供给出现异常，短期将影响认知、记忆等基本功能，长期则会导致不可逆的神经系统损伤甚至神经系统疾病。作为神经系统最基本的结构，神经元细胞因其高度特化的结构和复杂的生理功能，高度依赖线粒体氧化磷酸化所产生的ATP作为能量来源。由于ATP在轴突的狭长结构中扩散缓慢，轴突线粒体的能量产生（bioenergetics）对于维持轴突末端能量稳态和生理功能至关重要。多种神经退行性疾病的发生发展过程中，均伴随着轴突线粒体产能异常，因此维持神经元轴突能量供给机制逐渐成为研究轴突退化的预防和治疗的前沿热点。中枢神经系统网络的构成极为复杂，以人脑为例，其含有约860亿个神经元细胞和约840亿个神经胶质细胞（Glial cells），这意味着神经元轴突的能量代谢不仅限于神经元自身的调节，同时还受到周围胶质细胞的影响。少突胶质细胞（Oligodendrocytes）作为一类胶质细胞，能够形成髓鞘（Myelin sheath）为中枢神经系统的轴突提供保护。在血糖缺乏（aglycemia）条件下，少突胶质细胞可以向轴突中输送乳酸（Lactate）作为代谢底物，从而维持轴突内的正常能量平衡。然而在生理条件下，少突胶质细胞调控轴突线粒体的产能效率，维持轴突内能量代谢的方式和机制尚不清楚。

2021年9月9日，美国国立健康研究院（NIH）盛祖杭团队在Neuron发表了题为Oligodendrocytes Enhance Axonal Energy Metabolism by Deacetylation of Mitochondrial Proteins Through Transcellular Delivery of SIRT2的研究论文。该研究首次揭示少突胶质细胞通过释放外泌体（Exosomes），将去乙酰化酶SIRT2转导进入成熟神经元轴突，调节轴突线粒体蛋白ANT1/2的乙酰化水平，进而影响轴突内能量代谢的生物学过程。

该研究首先利用微流装置（microfluidic devices）在体外将少突胶质细胞与神经元轴突进行共培养。使用荧光探针GO-ATeam2对轴突中的ATP水平进行实时标记发现，共培养后神经元轴突内ATP水平明显增加。此前有文章报道少突胶质细胞可通过释放外泌体与神经元进行信号转导，为了研究少突胶质细胞是否通过释放外泌体调节轴突中的能量代谢，该研究将纯化的少突胶质细胞外泌体与神经元轴突进行孵育，结果发现轴突线粒体在孵育后的膜电位（Mitochondrial membrane potential）与产能效率明显增加，当在少突胶质细胞中加入外泌体抑制剂后，这一现象则被抑制，进而证明少突胶质细胞通过外泌体参与轴突线粒体产能效率的调控。

通过比对神经元与少突胶质细胞的表达谱后发现，去乙酰化酶SIRT2在少突胶质细胞中表达水平较高，而在神经元中则几乎不表达。通过免疫电镜（Immuno-EM）观察，体外培养的少突胶质细胞所释放的外泌体中含有SIRT2。当少突胶质细胞敲低（Knockdown）或敲除（Knockout, KO）SIRT2后，其调节神经元轴突能量代谢的功能丧失。为了找出外泌体来源的SIRT2在神经元轴突线粒体中可能的底物，该研究通过质谱分析，发现一系列与线粒体产能相关蛋白的乙酰化水平在外泌体孵育前后存在差异。进一步通过免疫共沉淀实验验证后发现，线粒体蛋白ANT1/2（adenine nucleotide translocase 1/2）的乙酰化水平在野生型（Wildtype, WT）来源的外泌体处理后显著降低。此前有文章指出，去乙酰化形式的ANT1能明显提高其ADP结合能力，促进ADP向ATP的转化。因此，该研究认为少突胶质细胞外泌体所转运的SIRT2是通过特异性调节轴突线粒体蛋白ANT1/2的乙酰化水平，从而提高轴突线粒体的产能效率。

在脊髓轴突束中，少突胶质细胞将含有去乙酰化酶SIRT2的外泌体释放进入髓鞘和轴突的间隙，随后进入轴突内部。外泌体来源的SIRT2通过降低轴突线粒体蛋白ANT1/2的乙酰化水平，进而提高轴突线粒体的能量产生效率。

最后，该研究验证了少突胶质细胞所释放的外泌体在体内的重要功能。免疫电镜观察发现，在野生型小鼠脊髓轴突束中，少突胶质细胞能将含有SIRT2的外泌体释放入髓鞘与轴突的间隙，随后进入轴突内部，首次在体内环境中证明了该调节机制。此前研究表明，Sirt2 敲除小鼠中枢神经系统中的线粒体存在功能异常。将纯化的少突胶质细胞外泌体注射入Sirt2 敲除小鼠的脊髓后发现，野生型来源的外泌体能显著提高Sirt2 敲除小鼠脊髓轴突束中线粒体的膜电位，而Sirt2 敲除来源的外泌体则无明显差异。此外，通过免疫共沉淀检测发现，注射野生型来源的外泌体后，小鼠脊髓组织中ANT1/2的乙酰化水平相较于对照组明显下降，进一步说明在中枢神经系统中少突胶质细胞在调节神经元轴突线粒体功能方面的重要作用。

综上，该研究发现了少突胶质细胞通过释放外泌体，调控神经元轴突线粒体产能和代谢的全新模式。外泌体作为一种高效的生物载体，在癌症治疗领域得到广泛关注，而在神经相关疾病领域的应用尚处于起步阶段。该研究成果同样为干预神经退行性疾病早期出现的神经轴突能量缺陷和退化提供了新的靶点和思路。

盛祖杭研究员为该研究的通信作者，共同第一作者为盛祖杭实验室的Kelly Chamberlain博士和黄宁博士，实验室内的谢渝湘博士和李苏楠博士亦参与了此项研究。盛祖杭实验室长期以来系统地研究神经元轴突线粒体运输与神经退行性疾病之间的联系，发表多项原创性工作（Kang et al., Cell 2008; Cai et al., Current Biology 2012; Sun & Qiao et al., Cell Reports 2013; Chen & Sheng JCB 2013; Cai et al., Neuron 2010; Sheng & Cai, Nature Reviews Neuroscience 2012; Xie & Zhou et al., Neuron 2015; Lin & Cheng et al., Neuron 2017; Puri et al., Nature Communications, 2019; Roney et al., Developmental Cell, 2021）。近年来，实验室以成熟神经元轴突中的能量代谢为切入点，揭示了轴突能量稳态与线粒体运输在促进神经元再生(Zhou et al., JCB 2016; Han et al., Cell Metabolism 2020; Huang et al., Current Biology 2021)、维持突触功能（Li et al., Nature Metabolism 2020）过程中的重要作用。此次聚焦少突胶质细胞在调控轴突能量平衡中的作用则为该实验室又一开创性的研究方向。了解盛祖杭实验室更多内容，请访问实验室主页https://research.ninds.nih.gov/sheng-lab。

实验室目前招聘2名博士后，申请人具有highly motivated, independent, and career-oriented 博士, 具有良好的学术交流与英语写作能力。具有细胞器、细胞膜运输；能量代谢；线粒体、溶酶体生物学；神经再生、衰老、退化等研究经历将优先考虑。具体研究内容与申请方式请访问https://research.ninds.nih.gov/sheng-lab/postdoctoral-fellowship-opening。