Nature Metabolism：餓一餓更健康？飲食限制破解tau蛋白病的“糖原陷阱”

首先，研究人員通過elav-Gal4泛神經(jīng)元驅(qū)動(dòng)因子在神經(jīng)元中過表達(dá)人類突變型tau蛋白（tau^R406W）和野生型tau蛋白（tau^WT），成功構(gòu)建了具有神經(jīng)退行性表型和壽命縮短特征的tau蛋白病黑腹果蠅模型。在自由飲食（AL，5%酵母）條件下，神經(jīng)元中表達(dá)tau^R406W的成年果蠅平均壽命僅為8.7天，表達(dá)tau^WT的果蠅平均壽命為21.8天，而對(duì)照組（elav-Gal4/+）達(dá)37.2天。在飲食限制（DR，0.5%酵母）條件下飼養(yǎng)的表達(dá)tau^R406W的果蠅，其平均壽命顯著增加了3.5倍。盡管DR挽救了tau^WT和tau^R406W疾病模型的壽命，但研究人員主要使用tau^R406W果蠅模型來了解tau蛋白病及其與飲食的相互作用。通過TUNEL染色和甲苯胺藍(lán)染色進(jìn)一步研究了DR在tau^R406W果蠅模型中的神經(jīng)保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，tau^R406W果蠅大腦TUNEL陽性細(xì)胞顯著增加，而在DR組這種增加減少了62.6%；與AL果蠅相比，DR還顯著減少了tau^R406W果蠅腦組織中的空泡樣病變。總體而言，這些結(jié)果表明，飲食中酵母（蛋白質(zhì)的主要來源）的限制可防止神經(jīng)退行性變，并延長tau蛋白病果蠅模型的壽命。因此，識(shí)別DR賦予神經(jīng)保護(hù)作用的機(jī)制將揭示針對(duì)tau蛋白病的重要靶點(diǎn)。 

DR可以防止tau果蠅神經(jīng)退行性病變并延長其壽命

為闡明DR介導(dǎo)神經(jīng)保護(hù)作用的機(jī)制，研究人員對(duì)AL和DR條件下tau^R406W果蠅及對(duì)照果蠅的頭部進(jìn)行了無偏向性蛋白質(zhì)組學(xué)分析，共鑒定并定量了超過1500種因飲食或疾病因素使得表達(dá)水平發(fā)生改變的蛋白質(zhì)。與對(duì)照組果蠅相比，突變tau果蠅頭部表達(dá)改變的蛋白質(zhì)顯著重疊于那些AL相對(duì)于DR對(duì)照果蠅頭部表達(dá)改變的蛋白質(zhì)，這進(jìn)一步支持了飲食與tau蛋白病之間存在的相互作用。蛋白質(zhì)組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，在tau突變和AL兩種條件下，134種蛋白上調(diào)（主要富集于脂肪代謝和糖原代謝通路），324種蛋白下調(diào)（主要影響氧化磷酸化和谷胱甘肽代謝）。

鑒于相似的蛋白表達(dá)譜且tau^R406W對(duì)壽命的影響更為顯著，研究人員選擇tau^R406W果蠅進(jìn)行后續(xù)機(jī)制研究，發(fā)現(xiàn)在tau^R406W和AL果蠅中糖原代謝相關(guān)蛋白，包括糖原磷酸化酶（GlyP）、磷酸葡萄糖變位酶（PGM）、糖原合酶和1，4-α-葡聚糖分支酶（AGBE）顯著上調(diào)。在AL和DR條件下，tau^R406W果蠅大腦中的糖原積累分別增加了28.3%和32.2%，未觀察到DR介導(dǎo)的果蠅大腦中糖原水平的減少，可能是因?yàn)?/span>tau^R406W果蠅在DR飲食下總體周轉(zhuǎn)率更高。在神經(jīng)元中過表達(dá)GlyP使糖原儲(chǔ)存減少38.8%，壽命延長69.7%，凋亡細(xì)胞減少80%。這部分結(jié)果表明，在tau蛋白病果蠅模型的大腦中，糖原代謝受到干擾，導(dǎo)致糖原積累。此外，神經(jīng)元特異性的糖原分解激活部分緩解了tau蛋白病。 

糖原代謝在tau蛋白病中發(fā)生改變，而糖原分解可防止黑腹果蠅模型中tau蛋白病引發(fā)的神經(jīng)退行性變

在營養(yǎng)匱乏條件下，糖原分解通過糖酵解生成丙酮酸來供能。丙酮酸可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A（三羧酸循環(huán)的關(guān)鍵底物），用于產(chǎn)生電子供體NADH和FADH，它們在氧化磷酸化過程中用于產(chǎn)生ATP。糖原分解產(chǎn)物葡萄糖-6-磷酸可進(jìn)入PPP，生成谷胱甘肽（一種活性氧清除劑）。活躍的PPP還可產(chǎn)生結(jié)構(gòu)糖，如核酮糖-5-磷酸，這是核苷酸合成的前體。

于是，研究人員對(duì)GlyP過表達(dá)的tau^R406W果蠅大腦分別進(jìn)行靶向代謝組和RNA測序分析，發(fā)現(xiàn)GlyP過表達(dá)導(dǎo)致核酮糖-5-磷酸增加44.3%，PPP被激活，而糖酵解和三羧酸循環(huán)相關(guān)基因表達(dá)下調(diào)。兩部分結(jié)果共同表明，糖原分解并不促進(jìn)糖酵解。在PPP的氧化階段，NADPH通過還原谷胱甘肽來清除活性氧。此外，功能實(shí)驗(yàn)證實(shí)GlyP過表達(dá)能減少tau^R406W果蠅大腦中的活性氧水平和細(xì)胞凋亡并延長壽命，然而，使用6-氨基煙酰胺（6-AN，葡萄糖-6-磷酸脫氫酶抑制劑）阻斷PPP后可完全逆轉(zhuǎn)這些保護(hù)作用。說明GlyP介導(dǎo)的糖原分解會(huì)下調(diào)糖酵解途徑，同時(shí)促進(jìn)代謝物向PPP分流，減少了活性氧介導(dǎo)的氧化應(yīng)激。

神經(jīng)元中的糖原分解將葡萄糖分流至PPP，從而減輕氧化應(yīng)激

蛋白質(zhì)組學(xué)研究顯示，tau^R406W果蠅模型及AD患者大腦中GlyP表達(dá)顯著上調(diào)。這種上調(diào)可能是細(xì)胞對(duì)疾病狀態(tài)下代謝紊亂的代償性反應(yīng)。由于糖原分解可以通過激活蛋白激酶A（PKA）被經(jīng)典的環(huán)磷酸腺苷（cAMP）介導(dǎo)的途徑激活。于是進(jìn)一步探究DR介導(dǎo)的神經(jīng)保護(hù)及延壽效應(yīng)是否通過激活GlyP實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與AL組相比，DR組tau^R406W及對(duì)照組果蠅GlyP酶活性增加了3.5倍，并伴隨著腺苷酸環(huán)化酶的基因表達(dá)上調(diào)和cAMP濃度升高，推測DR主要通過增強(qiáng)PKA活性來促進(jìn)GlyP功能。接著，為確認(rèn)cAMP介導(dǎo)的途徑激活了GlyP，研究人員用8-Br-cAMP（一種cAMP的抗水解化學(xué)類似物）處理了tau^R406W果蠅。發(fā)現(xiàn)8-Br-cAMP處理后GlyP活性達(dá)到DR組水平，延長壽命約2倍，減少細(xì)胞凋亡和活性氧水平。此外，GlyP突變體果蠅證實(shí)DR的延壽效應(yīng)完全依賴GlyP激活。總之，該結(jié)果支持DR通過增強(qiáng)神經(jīng)元中的cAMP來激活糖原分解，促進(jìn)PPP以減少大腦中的活性氧和氧化應(yīng)激，進(jìn)而抑制細(xì)胞凋亡，并延長tau^R406W果蠅的壽命。

DR激活GlyP保護(hù)黑腹果蠅免受tau蛋白病的影響

通過將黑腹果蠅數(shù)據(jù)集與人類數(shù)據(jù)集進(jìn)行交叉比對(duì)，研究人員發(fā)現(xiàn)在人類數(shù)據(jù)集中，PYGB（大腦特異性GlyP的人同源基因）和PGM在AD患者或tau蛋白水平升高者的大腦中表達(dá)顯著上調(diào)。隨后，又研究了糖原積累及GlyP在誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）來源的神經(jīng)元模型中的作用——這些細(xì)胞模型攜帶導(dǎo)致FTLD-tau的MAPT突變。實(shí)驗(yàn)采用兩種FTLD-tau iPSC系（tau^R406W和tau^V337M）及糾正了MAPT突變的同源iPSC（iso-tau^R406R和iso-tau^V337V）。結(jié)果表明人類tau^R406W iPSC衍生神經(jīng)元模型中的tau蛋白病變也會(huì)導(dǎo)致糖原積累。為進(jìn)一步探究tau蛋白病中糖原積累的原因，研究人員在一項(xiàng)tau蛋白相互作用組的研究中鑒定出幾種與tau相關(guān)的蛋白，其中包括糖酵解途徑相關(guān)蛋白（如PGM1和PYGB）。據(jù)報(bào)道，糖原在有絲分裂期間的微管組裝中發(fā)揮重要作用，既是擁擠劑，又是能量來源。基于這些先前的信息，研究人員推測tau蛋白可能與糖原相互作用，tau過表達(dá)或聚集可能導(dǎo)致糖原積累。隨后免疫標(biāo)記、隨機(jī)線強(qiáng)度分布分析等實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一猜想。這部分結(jié)果表明AD患者及FTLD-tau體外模型的大腦中存在的糖原代謝紊亂。更重要的是，通過過表達(dá)GlyP激活糖原分解，成功地挽救了果蠅和人類神經(jīng)元tau蛋白病理模型中的疾病表型。

在tau蛋白病患者來源的iPSC分化的神經(jīng)元中，糖原代謝發(fā)生顯著異常

綜上所述這項(xiàng)研究首次將神經(jīng)元糖原代謝確立為tau蛋白病的核心特征，并證實(shí)靶向糖原分解是可行的治療策略，可通過開發(fā)激活GlyP的藥物，或模擬DR干預(yù)措施，為多種神經(jīng)退行性疾病患者帶來新希望。