文献解读 | 代谢流揭示衰老大脑的海马区中氨基酸代谢的变化

　　随着年龄增长，大脑认知功能衰退，神经元和胶质细胞能量代谢失调，尤其是衰老大脑中谷氨酸的代谢机制尚不清楚，因此了解这类主要兴奋性神经递质代谢的变化非常重要。

　　本研究使用代谢流方法，研究老龄小鼠海马区域的谷氨酸代谢，以更好理解衰老大脑中代谢变化，并为年龄相关神经退行性疾病的潜在治疗策略提供科学依据。

　　01研究方法

　　研究选用4月龄（年轻）与22月龄（老年）小鼠，取脑部海马体切片，切片以人工脑脊液进行培养，加以稳定同位素标记的底物[U-13C]葡萄糖、[1,2–13C]乙酸酯和[U-13C]谷氨酸，开展代谢流实验来追踪这些代谢物在细胞内的代谢变化。

　　代谢物分析使用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）和高性能液相色谱（HPLC）等分析方法，测量代谢物的丰度和同位素标记。

　　代谢流分析关注糖酵解、TCA循环以及谷氨酸代谢的变化，关注糖酵解和氧化代谢的比率、谷氨酸的摄取和代谢。

　　通过描绘老年小鼠海马区域的代谢图谱，并比较年轻和老年小鼠的代谢流，揭示衰老过程中代谢途径的潜在变化。

　　02研究结果

　　研究发现，与年轻小鼠相比，老年小鼠的海马切片在糖酵解方面表现出更高的活性，而在线粒体氧化代谢方面则显著降低，这可能反映了衰老过程中线粒体功能的衰退。同时，星形胶质细胞的TCA循环功能也受到了损害，这可能影响了大脑的能量供应。

　　然而，老年小鼠海马切片对谷氨酸的摄取和代谢能力却增强，这可能表明细胞在衰老过程中增强了对这一关键神经递质的处理能力。

　　此外，谷氨酸的氮代谢在老年切片中保持稳定，显示出衰老过程中这一代谢途径的适应性。

　　这些发现揭示了衰老大脑中细胞能量和神经递质代谢的基本变化，为理解与年龄相关的认知衰退提供了新的视角，并可能对开发针对老年认知功能下降的治疗策略具有重要的指导意义。

　　03研究结论

　　研究深入分析了老年雄性小鼠海马区域的细胞能量和谷氨酸代谢，观察到糖酵解活性的增加和TCA循环氧化代谢的减弱，这可能反映了线粒体功能的下降。

　　研究还发现，尽管星形胶质细胞的TCA循环功能受损，但谷氨酸的代谢能力却得到了增强。这些发现不仅增进了我们对老年大脑代谢变化的理解，而且对于开发治疗年龄相关认知衰退的新疗法具有潜在的重要价值，可能有助于改善或保持老年人的认知健康。

　　04研究结果展开

　　表1.显示老龄鼠脑部海马切片经同位素葡萄糖孵育后多种氨基酸代谢物浓度的变化

　　图1.显示了老年小鼠海马切片中乳酸合成增加

　　4个月和22个月大的小鼠海马切片在代谢[U–13C]葡萄糖后的细胞内乳酸的13C富集度（实心条）以及释放到培养基中的乳酸量（条纹条）。通过糖酵解代谢[U–13C]葡萄糖会产生M+3富集度的丙酮酸。由于丙酮酸可以通过乳酸脱氢酶（LDH）活性转化为乳酸，因此乳酸中的13C富集度反映了糖酵解活性。

　　图2.反应了老年小鼠海马切片中[U–13C]葡萄糖的氧化代谢减少

　　4个月和22个月大的小鼠海马切片在代谢[U–13C]葡萄糖后的TCA循环中间体和相关氨基酸的细胞内13C富集度。[U–13C]葡萄糖通过糖酵解转化为M+3的丙酮酸，该丙酮酸可以作为M+2的乙酰辅酶A进入TCA循环，导致TCA循环中间体和相关氨基酸的13C富集。[U–13C]葡萄糖的首轮代谢导致M+2标记，而第二轮代谢将导致M+3/M+4标记。从13C富集中计算出的分子碳标记（MCL），反映了代谢物池中总的13C积累。AAT：天冬氨酸转氨酶，GAD：谷氨酸脱羧酶，GDH：谷氨酸脱氢酶，GS：谷氨酰胺合成酶，PDH：丙酮酸脱氢酶。

　　图3.主要描述了老年小鼠海马星形胶质细胞中[1,2-13C]乙酸酯的代谢受损

　　4个月和22个月大的小鼠海马切片在代谢[1,2-13C]乙酸酯后的TCA循环中间体和相关氨基酸的细胞内13C富集度。[1,2-13C]乙酸酯主要在星形胶质细胞中代谢，并作为M+2的乙酰辅酶A进入TCA循环，导致TCA循环中间体和氨基酸的13C富集。[1,2-13C]乙酸酯的首轮和第二轮代谢分别反映为M+2和M+3/M+4标记。分子碳标记（MCL），根据13C富集度计算，反映了代谢物池中13C的总积累。AAT：天冬氨酸转氨酶，GAD：谷氨酸脱羧酶，GDH：谷氨酸脱氢酶，GS：谷氨酰胺合成酶。

　　图4.展示了老年小鼠海马切片中[U–13C]谷氨酸的摄取和代谢增加

　　4个月和22个月大的小鼠海马切片在代谢[U–13C]谷氨酸后的TCA循环中间体和相关氨基酸的细胞内13C富集度，以及谷氨酸含量。[U–13C]谷氨酸的摄取导致谷氨酸M+5富集。摄取后，[U–13C]谷氨酸可以通过谷氨酰胺合成酶（GS）或谷氨酸脱羧酶（GAD）的活性转化为谷氨酰胺M+5或GABA M+4。谷氨酸M+5也可以通过转化为α-酮戊二酸M+5进入细胞能量代谢。[U–13C]谷氨酸的直接代谢和首轮代谢分别反映为M+5/M+4和M+3/M+2标记。AAT：天冬氨酸转氨酶，GDH：谷氨酸脱氢酶。

　　图5.显示老年小鼠海马切片中[15N]谷氨酸的代谢保持稳定

       4个月和22个月大的小鼠海马切片在代谢[15N]谷氨酸后的细胞内相关氨基酸的15N富集度。[15N]谷氨酸的摄取导致谷氨酸M+1富集。摄取后，[15N]谷氨酸的氮可以转移到多种氨基酸中，包括天冬氨酸、丙氨酸、谷氨酰胺和GABA，导致M+1富集。在谷氨酸脱氢酶（GDH）和谷氨酰胺合成酶（GS）的同时活性作用下，谷氨酰胺的M+2富集可以发生。AAT：天冬氨酸转氨酶，ALAT：丙氨酸转氨酶，GAD：谷氨酸脱羧酶。

　　05总结与启发

　　该篇文献发表于Neurochemistry International（IF>4.4），从课题中能够学习到代谢流技术的应用，通过稳定同位素追踪技术，理解细胞内代谢物的代谢路径和代谢流量变化，揭示衰老过程中海马区域代谢的变化，特别是糖酵解和氧化代谢的变化，以及星形胶质细胞和神经元如何通过代谢途径相互作用，尤其是重点关注了谷氨酸代谢的重要性，这是因为谷氨酸作为主要的兴奋性神经递质，其代谢状态对神经系统功能至关重要。

　　代谢流技术在该项研究中的成功，提供了用来研究其他神经退行性疾病代谢变化的技术方案可行性，为疾病早期诊断治疗提供潜在的生物标志物，有助于开发新的治疗策略，通过调节代谢途径来改善认知功能或延缓认知衰退，为开发认知功能改善的药物开发提供新靶点。

　　参考文献

       McNair,L.M.,Andersen,J.V.,&Waagepetersen,H.S.(2023).Stable isotope tracing reveals disturbed cellular energy and glutamate metabolism in hippocampal slices of aged male mice.Neurochemistry International,171,105626.https://doi.org/10.1016/j.neuint.2023.105626