Neuronal control of astrocytic respiration through a variant of the Crabtree effect

神經元借助克雷布斯效應變體調控星形膠質細胞呼吸

來源：Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS),   115 (7) , 2018, 1623-1628

《美國國家科學院院刊》，第115卷第7期，2018年，第1623-1628頁

 

摘要：

摘要說了這篇論文研究了神經元如何通過一種Crabtree效應變體控制星形膠質細胞的呼吸。使用遺傳編碼的FRET納米傳感器和實時氧測量，在培養細胞和海馬切片中發現，星形膠質細胞對生理性細胞外K+升高反應，導致胞內ATP急性上升和氧消耗抑制，這通過Na+-碳酸氫鹽共轉運體NBCe1介導的糖酵解刺激解釋。這種通過糖酵解調節控制線粒體呼吸的現象類似于Crabtree效應，表明快速腦有氧糖酵解可能是一種策略，神經元操縱鄰近星形膠質細胞以獲取氧氣，從而最大化信息處理能力。

 

研究目的：

研究目的是探究神經元活動后星形膠質細胞的能量代謝變化，特別是細胞外K+信號如何影響糖酵解和線粒體呼吸，以及其生理意義。具體是驗證K+通過NBCe1是否誘導一種Crabtree效應樣現象，從而解釋快速有氧糖酵解在腦中的角色。

 

研究思路：

研究思路是通過體外培養的星形膠質細胞和器官型海馬切片模型，使用遺傳編碼的FRET納米傳感器實時監測ATP、葡萄糖和丙酮酸水平，同時開發一種基于氧淬滅壽命熒光的方法測量實時氧消耗。比較野生型和NBCe1敲除小鼠，使用NBCe1抑制劑S0859，驗證K+信號通路。此外，使用氧微電極測量腦切片局部氧濃度，結合數學模擬，探討星形膠質細胞呼吸抑制對神經元氧可用性的影響。

 

測量的數據及研究意義：

1 測量了ATP水平變化，響應細胞外K+升高和谷氨酸暴露，來自圖1。研究意義是驗證K+而非谷氨酸快速刺激星形膠質細胞糖酵解，導致ATP上升，且依賴NBCe1和糖酵解途徑，為Crabtree效應提供直接證據。

 

2 測量了氧消耗速率變化，響應K+升高，來自圖2。研究意義是顯示K+急性抑制星形膠質細胞線粒體呼吸，且依賴NBCe1，證實Crabtree效應樣現象的存在，表明糖酵解flux可反向調節呼吸。

 

3 測量了局部氧濃度變化，在海馬切片中響應K+升高和TTX處理，來自圖3。研究意義是直接顯示在組織水平，K+誘導星形膠質細胞呼吸抑制導致局部氧增加，支持神經元通過此機制獲取氧氣的假說。

 

 

結論：

得出了結論是神經元釋放K+激活星形膠質細胞NBCe1，刺激糖酵解并抑制線粒體呼吸，這是一種Crabtree效應變體，其生理角色是重新分配氧氣，使神經元在活動期間獲得更多氧，從而支持信息處理。這挑戰了傳統能量效率觀點，為腦代謝耦合提供新機制。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量出來的數據的研究意義在于提供了高空間分辨率的腦組織局部氧濃度實時監測。在論文中，Unisense氧微電極用于測量海馬切片中的氧水平，結果如圖3A和B所示，顯示高K+處理時氧濃度快速下降，但加入TTX阻斷神經元活動后氧濃度上升。這表明神經元活動消耗氧，而星形膠質細胞呼吸抑制時氧增加，直接驗證了在完整組織環境中，星形膠質細胞Crabtree效應樣現象如何影響氧動態。這種測量意義是關鍵的，因為它將體外細胞水平發現擴展到組織水平，證實了神經元通過K+信號操縱星形膠質細胞呼吸以節省氧氣的假說，為理解腦代謝疾病如阿爾茨海默病提供了基礎。