以严谨的学术逻辑思维探索神经科学之奥秘
撰文︱王培香责编︱王思珍
成熟中枢神经系统的轴突在受损后不易再生，其中的一个原因在于中枢神经系统所处的抑制性环境，通常人们认为这是由于神经胶质导致的。但是，目前也有证据表明胶质疤痕对神经再生是有利的。感觉神经元的轴突可以在周围神经系统中再生，而在中枢神经系统不可再生，这一现象在果蝇当中是保守的。只有在某些时期，中枢神经系统环境可以支持轴突再生，这可能与胶质细胞的状态有关。那么，转变胶质细胞的状态是否可以逆转中枢神经系统的抑制性环境从而促进再生呢？
在此，美国宾夕法医院的宋源泉课题组和天普大学医学院的李书鑫课题组合作利用果蝇幼虫的损伤模型发现，通过提高神经胶质的糖酵解可以促进中枢神经系统的轴突再生和功能恢复，且该作用在小鼠中也具有保守性。团队首次揭示了胶质细胞代谢与神经元元轴突再生之间的联系。研究成果已于年11月3日以GlialMetabolicRewiringPromotesAxonRegenerationandFunctionalRecoveryintheCentralNervousSystem为题刊发于CellMetabolism。首先，作者利用双光子激光切断了果蝇幼虫腹侧索的C4da神经元的轴突，发现，受伤轴突在24小时后只能长回到神经纤维网的边缘，而不能在神经纤维网内再生。为了转变神经胶质的状态，作者在神经胶质中过表达了13个参与各个细胞功能信号通路的基因，发现激活PI3K和EGFR能够激活轴突再生，而在神经胶质中同时激活PI3K和EGFR（RGCPE）后促进轴突再生的效果更显著。并且，似乎不同的神经胶质细胞类型都参与了这一过程。作者进一步通过行为测试也表明RGCPE诱导的轴突再生可以导致功能恢复。果蝇神经胶质细胞重编程促进中枢神经轴突再生（图片引自：Lietal.,CellMetabolism;32:1-19）那么，RGCPE诱导轴突再生的下游信号是什么呢？Myc是已报道的EGFR-PI3K共激活的输出物，作者发现Myc是RGCPE诱导轴突再生所必需的，且在神经胶质表达Myc（RGCM）可以促进轴突再生和功能恢复。因为c-Myc调控糖酵解通路，RGCPE后中枢神经系统也检测到包括Ldh在内的糖酵解基因表达明显提高。作者证明，糖酵解基因Ldh、Hex-A和Pfk作用于RGCPE和Myc下游，对轴突再生至关重要。果蝇中枢神经系统损伤后，神经胶质细胞重编程促进的功能恢复
（图片引自：Lietal.,CellMetabolism;32:1-19）
接下来的问题是，上调糖酵解是否足够促进轴突再生？于是作者把目标转向了丙酮酸脱氢酶复合物，抑制该复合物可以提高糖酵解。作者在神经胶质细胞敲低了该复合物的两个成员Pdha和muc/DLAT，发现轴突再生增强。另外，在神经胶质中敲除线粒体丙酮酸转运载体Mpc1（warburg效应的抑制物），可以促进轴突再生。最重要的是，在神经胶质中表达Ldh足够促进轴突再生和功能恢复。因此，在神经胶质上调糖酵解足够促进中枢神经系统的轴突再生。神经胶质细胞的糖酵解对神经胶质细胞重编程诱导的轴突再生至关重要（图片引自：Lietal.,CellMetabolism;32:1-19）
考虑到神经胶质中的Ldh在轴突再生发挥着如此重要的作用，这进而暗示Ldh相关的代谢物也可能调控轴突再生。作者找到了以下证据：RGCPE和RGCM可以提高神经胶质中乳酸的浓度；在神经胶质中降低乳酸跨膜转运蛋白Sln的表达，可以减弱RGCPE诱导的轴突再生；通过质谱在RGCPE组检测到了幼虫血淋巴中的细胞外代谢物L-乳酸浓度升高。
那么L-乳酸是否足够促进轴突再生？为了克服血脑屏障，作者向幼虫注射了乙基-L-乳酸和L-乳酸钠的混合物，发现可以显著促进中枢神经系统轴突再生，这说明：升高L-乳酸水平足以激发轴突再生。作者推测，神经胶质重编码可以导致L-乳酸累积，而L-乳酸被转运出神经胶质，发挥促进轴突再生的作用。除了L-乳酸，RGCPE幼虫血淋巴中也检测到L-2HG浓度的升高。降低L-2HG减弱了RGCPE和RGCM诱导的轴突再生，而提高L-2HG水平促进了轴突再生。向幼虫注射L-2HG-二钠和辛基-L-2HG可以促进轴突再生。这说明，L-2HG介导了神经胶质重编码诱导的轴突再生，并且提高L-2HG水平足以促进轴突再生。考虑到L-乳酸和L-2HG结构上的相似性--羧基相邻碳原子上有一个羟基，作者检测了另外两个相似结构的化合物，L-2-羟基丁酸和L-酒石酸的作用。向果蝇注射以上任一化合物的盐和酯的混合物，可以产生类似的促轴突再生能力。另外，在神经胶质细胞增加L-2HG的对映异构体D-2HG同样可以增加中枢神经轴突再生。这些结果表明：L-乳酸和L-2HG可能作为一种胞外信号分子而不是能量分子促进轴突再生。胶质细胞的糖酵解升高足以通过胶质L-乳酸外排而促进中枢神经系统的轴突再生
（图片引自：Lietal.,CellMetabolism;32:1-19）
接下来关键的问题是，哪一个下游分子在神经元中响应来自神经胶质的L-乳酸呢？有趣的是，作者筛选到了GABAB受体。在神经元中敲低GABA-B-R1或GABA-B-R2可以减少由RGCM-Q诱导的轴突再生，而在神经胶质中敲除GABA-B-R1或GABA-B-R2则不影响轴突再生。cAMP促进中枢神经系统的轴突再生。作者证明RGCM-Q通过GABAB受体提高cAMP的浓度，而L-乳酸和L-2HG也通过GABAB受体提高cAMP的浓度。但是，GABAB受体激活Gαi/o并抑制腺苷酸环化酶，那么L-乳酸和L-2HG是怎样和GABAB受体相互作用呢？通过对重组人GABAB受体进行35S-GTPγS结合测试，作者发现L-乳酸和L-2HG反式激活GABAB受体，这解释了L-乳酸和L-2HG怎样通过GABAB受体增加神经元中cAMP的浓度。神经胶质细胞重编码诱导的轴突再生依赖于GABAB受体调控的cAMP（图片引自：Lietal.,CellMetabolism;32:1-19）
最后，作者检测了乳酸对小鼠脊髓损伤是否也能发挥作用，发现乳酸处理可以显著改善下行纤维的再生和小鼠运动功能的恢复。作者通过蛋白表达水平分析发现，GABAB受体主要表达在神经元中，而Gabbr2在神经胶质中表达量低。Gabbr2/Gabbr1比例过低会影响GABAB受体的组装和功能，导致神经胶质不能感应乳酸。因此作者推测，局部的乳酸处理可以通过神经元上的GABAB受体促进轴突再生，而无法影响胶质细胞。
局部乳酸治疗可促进损伤的CST轴突向尾侧脊髓的再生和运动功能的恢复
（图片引自：Lietal.,CellMetabolism;32:1-19）
文章结论除了内在生长能力下降，神经元再生困难的一个原因是所处的抑制性外部环境。利用果蝇中枢神经系统损伤模型，作者可以容易地重编码胶质细胞。在神经胶质细胞中激活PI3K和EGFR通路能够促进中枢神经轴突再生和功能恢复，表明通过变换神经胶质状态可以逆转抑制性的中枢神经系统环境。
进一步研究表明糖酵解及相关代谢物在轴突再生过程发挥关键作用，提高胶质细胞中的糖酵解和代谢物L-乳酸和L-2HG能够促进轴突再生。神经胶质产生的L-乳酸和L-2HG可能作为一种胞外信号分子，反式激活神经元上的GABAB受体，增加神经元中cAMP的浓度从而促进轴突再生。最后，给成年哺乳动物的损伤部位局部注射L-乳酸，能显著促进轴突再生和功能恢复。作者的研究首次建立了胶质糖酵解和神经再生之间的联系，并阐明了胶质糖酵解在中枢神经系统抑制环境中的作用。一个好消息是，血脑屏障可渗透的L-乳酸和L-2HG类似物可能是治疗神经损伤的潜在治疗靶点。原文链接：