|
2022年的第一篇綜述，一起學(xué)起來,！醫(yī)藥速覽祝各位讀者,，學(xué)業(yè)有成，工作順意,，幸福安康,。長風(fēng)破浪會有時，直掛云帆濟(jì)滄海,。新的一年,，青春不息，奮斗不止,！ ▉ 引言
https://www./What-is-a-synapse-1 突觸活動需要大量的能量,，這些能量需要通過糖酵解和線粒體氧化磷酸化的局部三磷酸腺苷（ATP）合成來滿足。ATP驅(qū)動動作電位,，支持突觸組裝和重構(gòu),，并促進(jìn)突觸囊泡填充和循環(huán)，從而維持突觸傳遞,。鑒于其極化形態(tài)特征——包括長軸突和末端區(qū)域的廣泛分支——神經(jīng)元在維持突觸前能量穩(wěn)態(tài)方面面臨異常的挑戰(zhàn),，特別是在密集的突觸活動期間。 最近的研究已經(jīng)開始揭示參與活動依賴和能量敏感的突觸前能量調(diào)節(jié)的機(jī)制和信號通路或“突觸能量代謝”(synaptoenergetics),，這些概念上的進(jìn)展已經(jīng)建立了突觸效能和可塑性的能量調(diào)節(jié)作為一個令人興奮的研究領(lǐng)域,，與一系列與生物能量衰竭和突觸功能障礙相關(guān)的神經(jīng)疾病有關(guān)。
今天為大家解讀的綜述是來自nature子刊的《Energy matters: presynaptic metabolism and the maintenance of synaptic transmission》,。
10.1038/s41583-021-00535-8 在人類的大腦中,，大約有860億個神經(jīng)元連接在一起，形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò),。在這些網(wǎng)絡(luò)中,，神經(jīng)元通過突觸傳遞相互交流，這種傳遞大約發(fā)生在1′ 105特定的細(xì)胞-細(xì)胞連接處,，稱為突觸,。突觸傳遞開始于一個動作電位，去極性突觸前膜和激活電壓門控鈣通道,。這導(dǎo)致Ca2 迅速流入突觸前末端,，觸發(fā)突觸囊泡的胞外分泌和神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。這些突觸前事件產(chǎn)生了大量的能量需求,，這些需求由局部能量供應(yīng)以三磷酸腺苷(ATP)的形式來滿足,，ATP是通過糖酵解和線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生的,。ATP的消耗對于恢復(fù)動作電位下的離子梯度、突觸內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸,、突觸組裝和維持,、突觸前Ca2 泵出以及突觸囊泡的補(bǔ)充和循環(huán)都是必需的,，從而延長突觸活動期間維持突觸的傳遞,。神經(jīng)元是高度極化的細(xì)胞，具有單一的長軸突,，最長可達(dá)數(shù)百厘米,，因此它們的突觸前末端遠(yuǎn)離細(xì)胞體。遠(yuǎn)端突觸內(nèi)的生物能代謝的維持是非常具有挑戰(zhàn)性的,，但也是至關(guān)重要的:生物能衰竭會顯著影響突觸傳遞的維持,，以及一般的神經(jīng)元功能。 
在這篇綜述集中討論了神經(jīng)元在高強(qiáng)度活動中保持突觸前能量代謝以維持突觸效能所面臨的挑戰(zhàn),。最近的進(jìn)展提供了一系列令人興奮的證據(jù),，說明突觸前的能量供應(yīng)是如何維持和調(diào)節(jié)的，以響應(yīng)突觸活動中增強(qiáng)的能量需求,，突觸前ATP穩(wěn)態(tài)如何影響突觸的效力和可塑性,，在生理和病理條件下，能量不足是如何導(dǎo)致突觸功能障礙的,。由于篇幅有限,，我們將討論范圍限制在解決這些關(guān)鍵問題及其影響的最新發(fā)現(xiàn)，重點關(guān)注谷氨酸突觸,。 如果想從不同的角度獲得更多的見解,，我們請讀者參考其他關(guān)于“腦能量代謝”、“線粒體運(yùn)輸”,、“質(zhì)量控制和Ca2 信號”,、“線粒體裂變和融合”、“突觸前糖酵解和生物能衰竭”的深入綜述,。 ▉突觸能量概述
1. 突觸是ATP消耗的主要部位 雖然成年人的大腦只占身體重量的2%,，但它卻消耗了人體總能量的20%。葡萄糖是生成ATP的主要碳源,，其代謝過程中大約95%的ATP在大腦中產(chǎn)生,。分析計算預(yù)測，神經(jīng)元產(chǎn)生的總ATP中約有55%在軸突末端被消耗,，主要用于為依賴ATP的膜泵(包括Na /K -ATP酶和Ca2 -ATP酶)提供動力,，這些膜泵重新分布離子梯度以維持靜息電位。 突觸囊泡循環(huán)也需要大量的能量消耗,。據(jù)估計,，每個谷氨酸突觸囊泡循環(huán)需要消耗超過20,000個ATP分子,，并且在突觸前末端須有大約1′106個ATP分子用于恢復(fù)離子梯度和細(xì)胞內(nèi)Ca2 水平。突觸的活動可能會發(fā)生巨大的變化,，因此在單個神經(jīng)元和突觸內(nèi)的能量消耗會隨著時間的推移而變化,。例如，當(dāng)神經(jīng)元對強(qiáng)烈的突觸刺激作出反應(yīng)時,，生物能需求就會急劇增加,。因此，為了確保正確的信息處理,，突觸能量學(xué)必須以協(xié)調(diào)突觸活動變化的方式被采用; 生物能學(xué)適應(yīng)的缺陷將限制突觸傳遞,，從而削弱網(wǎng)絡(luò)中的信息整合，導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙,。 2. 通過糖酵解和氧化磷酸化生成ATP 當(dāng)人腦處于安靜狀態(tài)時,，糖酵解和線粒體氧化磷酸化的速率是非常匹配的：對于每一個葡萄糖分子通過糖酵解轉(zhuǎn)化為兩分子ATP和兩分子丙酮酸，并促進(jìn)氧化磷酸化生成CO2,、 H2O和30-36個ATP分子,。線粒體氧化磷酸化包括電子轉(zhuǎn)移和ATP合酶的活性（電子傳遞鏈的一部分）。糖酵解和氧化磷酸化使葡萄糖完全氧化,，導(dǎo)致氧與葡萄糖消耗的化學(xué)計量比接近6:1,，并提供了神經(jīng)元使用的大約93%的ATP。然而,，在神經(jīng)元刺激的反應(yīng)中,，能量代謝發(fā)生急性增加，以匹配突觸能量消耗的增加,。通過正電子發(fā)射斷層掃描,，我們可以觀察到當(dāng)大腦活動增加時，糖酵解會產(chǎn)生額外的ATP,，導(dǎo)致糖酵解速率和氧化磷酸化速率之間的短暫不匹配,。神經(jīng)元糖酵解是一種非線粒體依賴的低量但可快速生成ATP的途徑。糖酵解酶富集在神經(jīng)元內(nèi)的特定區(qū)域(如快速軸突運(yùn)輸,、突觸囊泡和質(zhì)膜上),，在這些區(qū)域運(yùn)動ATP酶和離子轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶需要快速供能。然而,，考慮到神經(jīng)元糖酵解的低量的產(chǎn)能,，僅通過這一途徑產(chǎn)生的ATP不太可能為密集的突觸傳遞提供足夠的動力。因此,，對于密集的突觸活動,，突觸能量供應(yīng)可能是通過增加線粒體ATP的產(chǎn)生和局部糖酵解來使能量最大化。糖酵解與氧化磷酸化在刺激突觸前膜功能中的貢獻(xiàn)稍后將進(jìn)一步討論,。
3. 星形膠質(zhì)細(xì)胞可能為增強(qiáng)突觸傳遞供能 星形膠質(zhì)細(xì)胞可為增強(qiáng)突觸傳遞提供能量,。星形膠質(zhì)細(xì)胞的代謝特征及其在支持神經(jīng)元生物能方面的作用已經(jīng)得到了很好的研究,。已經(jīng)提出，通過氧化磷酸化的葡萄糖氧化是神經(jīng)元中主要的生物能量途徑,，而糖酵解在星形膠質(zhì)細(xì)胞中更為活躍,。在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，糖酵解可以上調(diào),，以響應(yīng)突觸活動驅(qū)動的葡萄糖攝取增加,，而丙酮酸進(jìn)入三羧酸(TCA)循環(huán)和氧化磷酸化是一個限速步驟，因此不能上調(diào); 相反,，過量的丙酮酸被乳酸脫氫酶還原為乳酸,。根據(jù)這一觀點,，人們提出了“星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭假說”,，即突觸活動觸發(fā)突觸釋放谷氨酸，并將谷氨酸吸收到鄰近的星形膠質(zhì)細(xì)胞中,，在星形膠質(zhì)細(xì)胞上增加能量負(fù)擔(dān)的過程,，導(dǎo)致葡萄糖攝取和糖酵解代謝的增強(qiáng)，從而產(chǎn)生乳酸,。然后星形膠質(zhì)細(xì)胞向神經(jīng)元輸出乳酸,，在那里轉(zhuǎn)化為丙酮酸，為氧化磷化提供燃料,。因此,，星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭假說解釋了神經(jīng)元突觸活動與星形膠質(zhì)細(xì)胞糖酵解代謝之間的耦合。
星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭《Lactate Shuttles in Neuroenergetics—Homeostasis, Allostasis and Beyond》https:///10.3389/fnins.2017.00043《Brain energy metabolism: focus on astrocyte-neuron metabolic cooperation》doi: 10.1016/j.cmet.2011.08.016
事實上,，星形膠質(zhì)細(xì)胞具有獨(dú)特的形態(tài)特征,，非常適合從血管中吸收葡萄糖，并將乳酸輸送到鄰近的突觸,。雖然星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭假說令人信服,，但爭論的一個關(guān)鍵問題是，乳酸是突觸激活后神經(jīng)能量代謝的主要或唯一燃料,。此外,，利用ATP生物傳感器或代謝物標(biāo)記，發(fā)現(xiàn)被激活的神經(jīng)元主要增強(qiáng)其對葡萄糖的利用,，而不是對乳酸的利用,，以進(jìn)行能量代謝。符合這些發(fā)現(xiàn),功能性老鼠大腦成像顯示大腦活動直接與神經(jīng)元中葡萄糖吸收和代謝有關(guān),。此外,，在老鼠的花萼(一個大型的聽覺神經(jīng)系統(tǒng)突觸)，在大腦切片中當(dāng)突觸受到刺激時,，生理濃度葡萄糖是直接被使用,。類似地,，最近一項對腦切片的研究表明,，單獨(dú)提供乳酸不如提供葡萄糖有效,，而且在海馬網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生振蕩的過程中甚至可能有害。我們測量了清醒小鼠海馬切片和大腦中單個神經(jīng)元的代謝反應(yīng),，并觀察到通過增強(qiáng)神經(jīng)元的葡萄糖消耗,，短暫地增加了胞質(zhì)NADH/NAD 比值(這是一種對葡萄糖代謝至關(guān)重要的氧化還原狀態(tài))，而星形膠質(zhì)細(xì)胞則不是這樣,。需要進(jìn)一步的研究來確定星形膠質(zhì)細(xì)胞向神經(jīng)元的定向流動是否可能在特定的亞細(xì)胞起作用,。研究膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的乳酸是否為基本的神經(jīng)元活動提供能量，而不是增強(qiáng)突觸傳遞也將是有趣的,。1. 突觸前糖代謝活動增強(qiáng) 正如已經(jīng)討論過的,，神經(jīng)元糖酵解是一種低產(chǎn)能的途徑，但可以提供快速的ATP供應(yīng),，以維持突觸前動作電位和突觸基礎(chǔ)傳遞,。利用突觸前靶向的不休眠ATP報告基因“SYN-ATP”，雖然突觸活性通過糖酵解和氧化磷酸化刺激突觸前ATP合成,，但選擇性阻斷糖酵解導(dǎo)致突觸前ATP水平下降,，并抑制突觸囊泡循環(huán)。這些發(fā)現(xiàn)表明突觸前ATP消耗是時空耦合的糖酵解機(jī)制,。事實上,，膜結(jié)合糖酵解酶和離子泵(包括Na /K -ATP酶，H -ATP酶和Ca2 -ATP酶)之間的聯(lián)系已經(jīng)被很好地證明了,，擁有一個快速ATP供應(yīng)可能是為這些離子泵提供動力的關(guān)鍵,。這一假設(shè)得到了老鼠Held花萼的一項研究的支持，在該研究中,，糖酵解產(chǎn)生的ATP被證明是離子泵的燃料,，在低頻刺激下維持突觸前動作電位。在果蠅突變體中,，磷酸甘油酸激酶(磷酸甘油酸激酶是糖酵解最后階段生成ATP所需的一種酶)的干擾降低了靜止大腦中的ATP水平,，并伴隨著活動依賴性突觸傳遞的喪失。這些研究表明糖酵解在維持突觸活動所需的能量代謝中起重要作用,。糖酵解酶在突觸前末端相對豐富,，并在突觸囊泡表面形成復(fù)合物，在那里它們產(chǎn)生ATP,，為V型質(zhì)子泵ATP酶和囊泡谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體(VGLUT)提供燃料,。最近關(guān)于隱桿線蟲的研究支持了活性增強(qiáng)的突觸前糖酵解的概念，并顯示了糖酵解酶的重新分布可能介導(dǎo)了這一過程: 在能量應(yīng)激和神經(jīng)元活動的反應(yīng)中,，酶會在突觸前扣環(huán)附近積累,，形成糖酵解代謝(圖1),。干擾代謝的形成減少了ATP的供給，損害了突觸囊泡的循環(huán)和恢復(fù),，改變了運(yùn)動,。
2. 葡萄糖在突觸前末端吸收 考慮到突觸前糖酵解酶的富集，我們需要考慮葡萄糖如何到達(dá)突觸前末端,，以及神經(jīng)元是否適應(yīng)在突觸激活期間隨著糖酵解的增加而增強(qiáng)葡萄糖攝取,。GLUT3(也被稱為SLC2A3)被認(rèn)為是狗和大鼠神經(jīng)元中主要的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體，突觸活動誘導(dǎo)其神經(jīng)元表面表達(dá)的增加,。GLUT4(也被稱為SLC2A4)表達(dá)在嚙齒動物大腦的不同區(qū)域也有報道,，GLUT4定位于細(xì)胞質(zhì)中的儲存器，并易位到細(xì)胞表面,，以響應(yīng)參與海馬學(xué)習(xí)和記憶的胰島素信號通路的激活,。最近的一項研究揭示了GLUT4動員到海馬體神經(jīng)末梢的新機(jī)制，其中主能量應(yīng)激傳感器AMPK被ATP供應(yīng)不足和/或能量消耗增加所激活,。AMPK代謝反饋將細(xì)胞內(nèi)的GLUT4囊泡聚集到突觸前膜表面,，以促進(jìn)葡萄糖攝取和糖酵解,。此外,，在持續(xù)動作電位放電期間，GLUT4的敲除抑制突觸囊泡的循環(huán),。有趣的是,，這一過程與運(yùn)動誘導(dǎo)肌肉纖維中葡萄糖攝取的過程相似。雖然AMPK-GLUT4假說很有吸引力,，但還需要進(jìn)一步的研究來確定GLUT4是否作為活躍的突觸前末端的主要葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體,。值得注意的是，增強(qiáng)葡萄糖攝取也可以通過提供更多的丙酮酸,，以及通過運(yùn)輸驅(qū)動蛋白結(jié)合蛋白1(TRAK1,，也稱為Milton)的糖基化，在突觸前末端阻斷線粒體,，從而促進(jìn)突觸前氧化磷酸化,。▉ 突觸前線粒體代謝 1. 線粒體提供大部分突觸前的能量
線粒體提供大部分突觸前能量，水藤紅素產(chǎn)生ATP的產(chǎn)量比單獨(dú)糖酵解高得多,，可提供總ATP的93%,，而糖酵解提供神經(jīng)元使用總ATP的7%。與星形膠質(zhì)細(xì)胞相比,，神經(jīng)元含有更活躍的丙酮酸脫氫酶和更高水平的TCA循環(huán)活性,，因此更傾向于氧化磷酸化而不是有氧糖酵解。 事實上,，有證據(jù)表明,，許多發(fā)生在突觸前的主要能量需求過程都是由氧化磷酸化提供動力的(圖1),。例如，通過刺激大鼠海馬切片和氧電極記錄相結(jié)合,，研究發(fā)現(xiàn),，氧化磷酸化為神經(jīng)遞質(zhì)釋放提供了主要的能量來源。這表明線粒體來源的ATP對支持突觸囊泡循環(huán)至關(guān)重要,，而線粒體生物能量衰竭會損害突觸前功能,。 2. 突觸前線粒體的生物發(fā)生、分布與維持 線粒體的生物發(fā)生,、分布和質(zhì)量控制對于維持遠(yuǎn)端軸突和突觸線粒體,，以支持突觸前功能至關(guān)重要。然而,，線粒體生物發(fā)生主要發(fā)生在細(xì)胞體中,，線粒體DNA復(fù)制也發(fā)生在外周神經(jīng)元的近端軸突和中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的遠(yuǎn)端軸突中。最近的研究表明,，線粒體蛋白是在突觸局部產(chǎn)生的,，并與呼吸鏈復(fù)合物結(jié)合以維持線粒體功能。線粒體生物發(fā)生是由PGCLA控制的（一個轉(zhuǎn)錄共激活子家族的成員,，控制核編碼線粒體基因的表達(dá)）,。新的軸突線粒體也可以通過分裂或裂變從原有的線粒體中產(chǎn)生，這一過程需要GTPase動力蛋白相關(guān)蛋白1(DRP1),。通過敲低TSG101(線粒體生物發(fā)生的負(fù)調(diào)控因子)激活PGCLA,，可以增加果蠅翅膀軸突線粒體密度和ATP生成能力。這些表型可被DRPI缺失所抑制,，支持線粒體裂變參與軸突線粒體生物發(fā)生的觀點,。線粒體裂變和融合的競爭過程調(diào)節(jié)線粒體的大小、完整性,、分布和能量代謝,。攜帶DRPI突變的小鼠表現(xiàn)出突觸形成異常和軸突線粒體分布缺陷。小鼠海馬神經(jīng)元中DRPI的缺失降低了線粒體衍生ATP的突觸前維持,，導(dǎo)致重復(fù)神經(jīng)傳遞受損,。同樣，成年小鼠前腦神經(jīng)元DRPI缺失降低了線粒體密度和突觸前末端ATP的產(chǎn)生,，從而破壞了高頻刺激下的短期可塑性和突觸傳遞,。這些小鼠表型與DRPI突變的果蠅黑腹果蠅神經(jīng)肌肉連接中觀察到的相似，在那里線粒體局部化受損,。線粒體大小的裂變依賴調(diào)節(jié)也在調(diào)節(jié)小鼠皮質(zhì)錐體神經(jīng)元突觸生理中發(fā)揮重要作用,。線粒體分裂因子(MFF)下調(diào)，MFF是位于線粒體上的一種DRPL受體。在這些神經(jīng)元中,，通過增強(qiáng)線粒體鈣的攝取,，增加線粒體大小，降低突觸前Ca2 水平,，從而導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)釋放受損,。然而，在缺乏DRPI的小鼠Held終末的大花萼中,，突觸前線粒體異常聚集在一起: 這些突觸中觀察到的易釋放池大小和突觸囊泡循環(huán)的減少可能是線粒體生物能衰竭的原因,。這些研究表明，有缺陷的線粒體裂變破壞了線粒體在軸突和突觸中的分布,，從而降低了突觸前代謝,。 線粒體融合需要三種大型GTPases的協(xié)調(diào): OPAL, MFN1和MFN2。攜帶帕金森病(PD)相關(guān)的OPA1突變的多巴胺能神經(jīng)元表現(xiàn)出軸突線粒體和多巴胺能突觸的丟失,。同樣,，腓骨肌菱縮癥相關(guān)突變(MFN2)損害軸突線粒體運(yùn)輸，導(dǎo)致近軸突碎片線粒體聚集,。這些研究表明,，線粒體融合在維持軸突線粒體運(yùn)輸和分布中起著關(guān)鍵作用。 軸突和突觸前線粒體通過逆行運(yùn)輸或局部線粒體吞噬被清除,，當(dāng)它們老化或功能失調(diào),。PINKI和parkin（兩種PD相關(guān)蛋白）在激活線粒體自噬方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。PINK1在線粒體外膜上積累,，招募parkin去極化線粒體來激活自噬降解,。在生理或慢性線粒體應(yīng)激下，軸突線粒體向細(xì)胞體逆行通量降解,，成熟溶酶體高度豐富。當(dāng)軸突線粒體發(fā)生局灶性急性損傷時,，PINK1-parkin通路被激活,，局部線粒體自噬被誘導(dǎo)。有趣的是,，與非神經(jīng)元細(xì)胞類型相比,，成熟神經(jīng)元在線粒體沉積過程中表現(xiàn)出延遲的線粒體自噬反應(yīng)，這表明在線粒體自噬被激活之前,，神經(jīng)元中已經(jīng)存在早期的保護(hù)機(jī)制,。當(dāng)軸突線粒體遭受慢性和輕微的應(yīng)激時，錨定在突觸上的應(yīng)激線粒體可以通過釋放線粒體錨定突觸蛋白(SNPH)向體細(xì)胞重新激活,?？傊?/span>局部線粒體的生物發(fā)生、維持和質(zhì)量控制機(jī)制維持了一個健康的軸突線粒體種群,，從而保持突觸前的能量供應(yīng),。 
《Ubiquitin phosphorylation in Parkinson’s disease: Implications for pathogenesis and treatment》 3. 突觸前線粒體維持密集的突觸傳遞 在培養(yǎng)的小鼠神經(jīng)元中，三分之一的軸突線粒體沿著軸突高度運(yùn)動,，從而有助于ATP在軸突中分散或擴(kuò)散到突觸前,。然而，錨定的突觸前線粒體處于一個理想的位置,，可以充當(dāng)“發(fā)電站”(圖1),。而密集的突觸活動迅速耗盡突觸前ATP,這種局部能量不足可以通過將線粒體招募到突觸前末端來逆轉(zhuǎn)。使用早期版本的ATP傳感器,，在培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元中也觀察到類似的活動誘導(dǎo)的突觸前ATP水平下降,。三維電子顯微鏡成像顯示突觸前線粒體在維持長期電位增強(qiáng)(LTP)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。通過分析大鼠海馬切片中θ脈沖誘導(dǎo)的LTP表明突觸前活躍區(qū)中有33%的線粒體保留,，這與培養(yǎng)的海馬和皮層神經(jīng)元的觀察結(jié)果一致,。該研究進(jìn)一步揭示，線粒體靠近活躍區(qū)對突觸前區(qū)大小和突觸囊泡數(shù)量有強(qiáng)烈的正向影響,。在θ脈沖誘導(dǎo)的LTP誘導(dǎo)下,，更多的突觸囊泡從包含線粒體的突觸前活性區(qū)儲備池中被激活，從而維持突觸效能,。這些發(fā)現(xiàn)支持了先前對DRPI突變體的研究,，在該突變體中，神經(jīng)肌肉功能的線粒體定位失敗導(dǎo)致突觸囊泡從儲備池中動員的缺陷,。本研究還表明,，抑制線粒體氧化磷酸化可阻斷突觸囊泡動員。因此,，在密集的突觸傳遞過程中,，線粒體衍生的ATP在促進(jìn)突觸囊泡從儲備池到釋放位點的動員中發(fā)揮了主要作用。與此相一致的是,，在Held的貓花萼和金魚視網(wǎng)膜雙極神經(jīng)元的巨大突觸中,，需要極高的能量需求和持續(xù)的ATP供應(yīng)來維持活躍和緊張的突觸囊泡釋放，線粒體在突觸前末端或活躍區(qū)表現(xiàn)出獨(dú)特的聚集和積累,。4. 線粒體生物能量表現(xiàn)的適應(yīng) 如前所述,，突觸前線粒體非常適合提供局部的ATP供應(yīng)，以維持密集的突觸傳遞,。然而,，一個相關(guān)的問題是，這些線粒體是否經(jīng)過活動依賴的重構(gòu),，以適應(yīng)其生物活性表現(xiàn),，以響應(yīng)活動增強(qiáng)的能量需求。在細(xì)胞信號水平上，有充分的證據(jù)表明,，突觸活動增強(qiáng)了胞外鈣離子流入突觸前末端,，線粒體通過外線粒體膜定位的電壓依賴性陰離子選擇通道(VDAC)和內(nèi)線粒體膜定位的線粒體單分子通道(MCU)攝取過量的Ca2 。線粒體Ca2 的積累不僅作為一個緩沖系統(tǒng),，而且作為調(diào)節(jié)能量代謝的信號通路,。線粒體內(nèi)鈣離子的生理升高通過激活氧化磷酸化作用刺激ATP合成，使線粒體內(nèi)膜去極化,，增加細(xì)胞呼吸,，激活依賴Ca2 的線粒體酶，從而促進(jìn)線粒體能量聚集,。阻斷線粒體Ca2 攝取會阻止突觸前ATP合成的加速,，損害突觸功能和可塑性。依賴鈣的刺激向線粒體提供正反饋,，以確保它們在延長的突觸活動期間滿足增強(qiáng)的能量消耗,。一項對果蠅運(yùn)動神經(jīng)元終末的研究表明，線粒體在持續(xù)刺激過程中快速獲得Ca2 ,，Ca2 進(jìn)入刺激線粒體能量代謝,，以協(xié)調(diào)突觸前能量需求。除了Ca2 信號外,，抗凋亡蛋白BAD(也稱為Bcl-xl)在改善能量代謝和維持突觸可塑性方面發(fā)揮著重要作用,。在嚙齒動物海馬或皮層神經(jīng)元中過表達(dá)BAD可以招募突觸前線粒體，增加線粒體生物量,，并通過減少質(zhì)子泄漏來增強(qiáng)生物能量能力,。在超微結(jié)構(gòu)水平上，線粒體嵴膜的表面積和密度與氧消耗和細(xì)胞色素氧化酶活性相關(guān),，因此,，在非神經(jīng)元組織中，線粒體嵴膜的表面積和密度是決定生物能量性能的關(guān)鍵超微結(jié)構(gòu)參數(shù),。線粒體進(jìn)行超微結(jié)構(gòu)重構(gòu)以響應(yīng)增加的能量需求,。在最近的一項研究中，在小鼠和人類大腦的GABAergic和谷氨酸能軸突中,，檢測了突觸前線粒體的超微結(jié)構(gòu)特征，揭示了嵴膜密度增強(qiáng),，與低活性的突觸相比,，具有較高突觸活性的突觸前線粒體的嵴層狀結(jié)構(gòu)和細(xì)胞色素C水平。通過比較來自小鼠大腦的突觸和非突觸線粒體,，兩項研究揭示了與氧化應(yīng)激和TCA循環(huán)相關(guān)的線粒體蛋白的獨(dú)特表達(dá)模式,。這些蛋白質(zhì)的功能注釋表明，突觸前線粒體經(jīng)歷了一種適應(yīng)，增強(qiáng)了能量代謝,。總之,，這些線粒體信號、超結(jié)構(gòu)重塑和蛋白表達(dá)譜表明,，突觸活性可以通過幾種方式調(diào)節(jié)線粒體的生物能,。5. 突觸前線粒體的招募和錨定 除了目前討論的生物能適應(yīng)外，活性依賴的線粒體運(yùn)輸和錨定調(diào)節(jié)能夠確保代謝活性末端在持續(xù)活動期間有充足的ATP供應(yīng),。在神經(jīng)元發(fā)育過程中,，軸突經(jīng)歷動態(tài)輸出生長、分支和突觸發(fā)生,，因此需要更強(qiáng)的線粒體運(yùn)輸和更快的能量分散來為這些動態(tài)區(qū)域提供動力,。然而，體外和體內(nèi)研究表明,，隨著神經(jīng)元的成熟和衰老,，軸突線粒體運(yùn)動在哺乳動物和非哺乳動物生物體中下降。在成熟神經(jīng)元中,，這種運(yùn)動性的減少表明,，在突觸和軸突分支點上，固定的線粒體作為穩(wěn)定的能量來源,。線粒體在突觸前位點的定位也增加了突觸,。在一項研究中，產(chǎn)生了用熒光蛋白靶向神經(jīng)元線粒體的轉(zhuǎn)基因有絲蟲系,，首次提供了成年小鼠神經(jīng)系統(tǒng)線粒體運(yùn)動減弱的體內(nèi)證據(jù),。類似地，最近的兩項體內(nèi)研究報告了成年小鼠大腦中軸突線粒體的主要靜態(tài)表型,，可能是由于突觸前位點捕獲的線粒體數(shù)量增加,。事實上，他的觀點得到了對成熟神經(jīng)元和成人大腦切片的多項研究的支持,，其中大約30-50%的突觸前活躍區(qū)保留著一個或多個線粒體,。因此，這些研究表明,，神經(jīng)元成熟是調(diào)節(jié)線粒體運(yùn)輸和錨定機(jī)制表達(dá)或修飾的主要信號觸發(fā)因素,。眾所周知，線粒體的運(yùn)輸和分布受到調(diào)節(jié),，以響應(yīng)生長狀態(tài),、突觸活性、衰老和病理應(yīng)激的變化,。SNPH是一個靜態(tài)錨定器,，通過其羧基端跨膜結(jié)構(gòu)域和氨基端軸突分選序列附著在軸突線粒體上,，并通過其與微管的相互作用保持線粒體靜止。相反,，SNPH表達(dá)的升高會破壞軸突線粒體運(yùn)輸,。軸突線粒體的移動和錨定是由馬達(dá)驅(qū)動力和SNPH錨定力之間的平衡控制的。SNPH的表達(dá)隨著神經(jīng)元的成熟逐漸增加，并在整個成年期保持高水平。因此有助于在成年小鼠大腦中軸突線粒體的主要靜態(tài)表型,。突觸激活可誘導(dǎo)局部突觸前Ca2 變化,，不僅觸發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)釋放，還可瞬時阻滯運(yùn)動線粒體，從而使線粒體重新分布到激活的突觸。已經(jīng)證明，密集的活動招募軸突線粒體,，通過局部Ca2 信號傳導(dǎo)來維持突觸前強(qiáng)度的穩(wěn)態(tài)尺度，而這一事件通過表達(dá)MIRO1 Ca2 不敏感形式而被消除,。MIRO1 Ca2 信號是線粒體定位和穩(wěn)態(tài)可塑性活性依賴調(diào)節(jié)的關(guān)鍵機(jī)制,。然而，值得注意的是,，在沒有SNPH的情況下,，MIRO1 Ca2 信號可能不足以穩(wěn)定地捕獲突觸前末端的線粒體。野生型神經(jīng)元短暫的突觸鈣通道只能短暫地(1s)阻止線粒體運(yùn)動3分鐘,。此外,，在SNPH敲除的海馬神經(jīng)元中，強(qiáng)烈的突觸活動未能阻止軸突線粒體,。因此,，假設(shè)SNPH通過協(xié)調(diào)MIRO1 Ca2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，抑制KIF5 ATPase,，這一MIRO1 Ca2 -SNPH模型與最近的光遺傳學(xué)研究一致,，該研究將軸突中的兩種固定線粒體分類為“可移動的和不可移動的”。這暗示了不同機(jī)制下的線粒體瞬時阻滯與牢固錨定的MIRO1 Ca2 感覺可能不是唯一的機(jī)制下的活動依賴的軸突線粒體阻滯,。在使用MIRO1基因敲除小鼠時,，據(jù)報道，MIRO1對Ca 調(diào)節(jié)的線粒體固定化不是必需的,。另一項研究表明MIRO1缺失不會影響線粒體沿軸突的分布,，這表明其他機(jī)制可以彌補(bǔ)它的缺失。 運(yùn)動適配器TRAKL和/或TRAK2交替地將KIF5運(yùn)動連接到線粒體,，以獨(dú)立于MIROI和/或MIRO2驅(qū)動向前運(yùn)輸,。神經(jīng)生長因子、神經(jīng)遞質(zhì)5-HT和一氧化氮也被報道可固定線粒體,。然而,，目前還不清楚這些途徑是否有助于突觸前線粒體錨定。當(dāng)驅(qū)動蛋白和動力蛋白馬達(dá)驅(qū)動基于微管的長距離軸突運(yùn)輸時,，肌球蛋白馬達(dá)介導(dǎo)沿絲狀肌動蛋白(F-肌動蛋白)的短程運(yùn)動,。F-肌動蛋白在突觸前末端形成密集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而成為捕捉突觸前線粒體的理想錨定平臺,。SNPH敲掉的神經(jīng)元突觸前末端內(nèi)的線粒體定位受損,，表明軸突線粒體通過相互作用被募集到突觸前末端并捕獲微管轉(zhuǎn)運(yùn)和肌動蛋白錨定之間的關(guān)系。最近的一項研究表明,，肌球蛋白6(MYO6)驅(qū)動的線粒體補(bǔ)充和SNPH介導(dǎo)的線粒體錨定在突觸前F-肌動蛋白上,。SNPH作為一個適配器，招募MYO6到軸突線粒體;消耗MYO6或表達(dá)一種在SNPH結(jié)合中有缺陷的MYO6突變形式,，可消除突觸前末端對線粒體的捕獲,。因此，MYO6和SNPH之間的相互作用導(dǎo)致軸突線粒體從微管運(yùn)輸軌道切換到肌動蛋白錨定平臺（圖3）,。也有報道稱,，MIRO1通過在線粒體上募集和穩(wěn)定MYO19來介導(dǎo)線粒體-肌動蛋白的相互作用。MYO6-SNPH和MYO19-MIRO1可能協(xié)同工作,，以最大限度地維持突觸前線粒體,，或在不同的神經(jīng)元或突觸中獨(dú)立工作。值得注意的是,，Held的花萼可能有一個獨(dú)特的機(jī)制來錨定與活性區(qū)相鄰的線粒體簇,，使用一個復(fù)雜的細(xì)胞骨架上層結(jié)構(gòu)。▉突觸功能的能量控制 1. 協(xié)調(diào)突觸出現(xiàn)的調(diào)節(jié)
如前所述,，神經(jīng)元具有一種能量敏感機(jī)制,，可以招募和捕獲突觸前線粒體，以應(yīng)對活動誘導(dǎo)的能量應(yīng)激,。AMPK是一種主要的能量應(yīng)激傳感器,，激活AMPK可同時調(diào)節(jié)糖酵解和線粒體代謝。研究表明,，突觸活動激活AMPK信號,，進(jìn)而適應(yīng)糖酵解速率和線粒體呼吸，在高頻刺激(HFS)中維持ITP,。促進(jìn)線粒體運(yùn)輸和突觸前分布,。失活AMPKA2, 催化AMPK亞基可以損害老鼠大腦海馬LT P和認(rèn)知能力。突觸前能量應(yīng)激可能激活AMPK信號級聯(lián),。最近的一項研究解決了這一可能性,，揭示了AMPK能量感應(yīng)和SNPH錨定機(jī)制之間的關(guān)聯(lián)。以前的工作表明突觸前能源壓力激活AMPK在遠(yuǎn)端軸突,。短暫快速脈沖刺激導(dǎo)致蛋白激酶AMPK能量信號激活,。此外,，AMPK-PAK信號軸在其運(yùn)動域內(nèi)磷酸化MYO6，從而增強(qiáng)MYO6驅(qū)動的突觸前線粒體補(bǔ)充和SNPH介導(dǎo)的突觸前F-肌動蛋白錨定,。與MIRO1 Ca2 感知模型不同,，該模型通過感知Ca2 信號來瞬時阻止線粒體運(yùn)輸，而通過AMPK-PAK的能量感知使神經(jīng)元能夠牢牢捕獲突觸前線粒體,。因此,，這兩種信號通路可能首先通過感應(yīng)Ca2 瞬態(tài)來協(xié)調(diào)抑制臨近突觸微管上的運(yùn)動線粒體，然后通過感應(yīng)活動誘導(dǎo)的能量應(yīng)激將線粒體牢牢固定在突觸前F-肌動蛋白上,。此外,，如前所述，活動誘導(dǎo)的AMPK信號通過將GLUT4招募到突觸前表面來增強(qiáng)葡萄糖攝取和糖酵解,，從而提供代謝反饋,。AMPK信號通路可以刺激突觸前糖解和線粒體氧化磷酸化，以協(xié)調(diào)突觸能量的適應(yīng),，以響應(yīng)突觸活性的增強(qiáng)(圖3),。2. 突觸能量波動有助于突觸變異性 突觸傳遞在突觸強(qiáng)度上顯示出顯著的脈沖-脈沖變化(PPV)，這可能代表了電路中突觸信號的計算優(yōu)勢,，盡管在離子通道表達(dá)上存在差異,，突觸囊泡釋放動力學(xué)和受體濃度都影響不同神經(jīng)元之間和不同突觸之間的突觸強(qiáng)度變化。一項研究表明,，突觸能量的波動可能與小鼠海馬神經(jīng)元的PPV有關(guān): 動態(tài)通過突觸前模的移動線粒體引起局部ATP到二磷酸腺苷的廣泛波動(ADP比值通過影響ATP依賴的突觸囊泡循環(huán)來誘導(dǎo)PPV),。通過失活SNPH來增加軸突線粒體的運(yùn)輸，可以顯著提高PPV,，而通過過表達(dá)SNPH來固定軸突線粒體,，可以消除PPV(圖4a, b)。在重復(fù)刺激過程中,，在沒有固定線粒體的情況下,，突觸前末端ATP/ADP比率下降得更快，恢復(fù)得更慢,。本研究為中樞神經(jīng)系統(tǒng)中能量調(diào)節(jié)突觸前強(qiáng)度提供了新的見解,。
圖4
3. 突觸效能和可塑性的突觸能量調(diào)節(jié) 線粒體在突觸中發(fā)揮雙重作用，提供ATP和緩沖Ca2 以維持突觸傳遞,。Ca2 從突觸前線粒體的釋放提高了細(xì)胞內(nèi)鈣水平,，有助于短期或強(qiáng)直性強(qiáng)直后。一項關(guān)于Held花萼的研究表明,，HFS期間線粒體Ca2 釋放會提高突觸前鈣濃度在峰間間隔,，以增強(qiáng)短期易化。干擾能量信號(AMPKA-PAK)和線粒體錨定(MYO6-SNPH1)之間的關(guān)聯(lián)會損害突觸前線粒體維護(hù)和局部Ca2 緩沖能力,，因此,，提高突觸前Ca2 傳遞在重復(fù)活動和減緩短期突觸前抑郁的作用,。在小鼠聽性腦干切片中研究了突觸傳遞的能量調(diào)節(jié)，突觸前花萼在活躍區(qū)附近持有一簇水線粒體,，以維持高代謝率,，以維持超過300 Hz的HFS。葡萄糖去除后突觸前ATP的消耗加速了HFS期間的突觸抑制和興奮性突觸后電流振幅的恢復(fù)受損,。相反，當(dāng)突觸能量狀態(tài)受到干擾時,，突觸前ATP會在幾分鐘的時間尺度內(nèi)被HFS迅速耗盡,。這種能量缺失在長時間活動后減緩了突觸抑制的恢復(fù)，導(dǎo)致突觸功效受損,。另一項研究表明,，在培養(yǎng)的大鼠交感神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)一種功能缺失突變體syntabulin(一種線粒體KIF5運(yùn)動適應(yīng)子)，減少了線粒體向軸突終末的運(yùn)輸,，加速了突觸抑制,，減緩了HFS期間的恢復(fù)。與這一發(fā)現(xiàn)一致的是,，在黑腹果蠅神經(jīng)肌肉連接中,，MIRO的消融會從突觸前消耗線粒體，導(dǎo)致長期活動后的突觸抑制,。因此,，突觸前線粒體維持的能量敏感調(diào)節(jié)是維持突觸長期效能和可塑性的重要機(jī)制。
4. 疾病中的突觸能量衰竭 主要的神經(jīng)退行性疾病的特征是生物能障礙,，包括糖代謝受損和線粒體功能障礙,，盡管在受神經(jīng)退行性變影響的大腦區(qū)域觀察到葡萄糖攝取和糖酵解的整體減少，監(jiān)測疾病進(jìn)展中的突觸前糖酵解活性缺陷在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性,。線粒體ATP生成缺陷是發(fā)生在疾病進(jìn)展早期的突觸能量衰竭的主要原因,，與突觸功能障礙相關(guān)。在這里,，我們討論了三種主要神經(jīng)退行性疾病的突觸前線粒體功能障礙和生物能量衰竭的可用證據(jù): PD,、肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)和阿爾茨海默病(AD)。 PD是一種神經(jīng)退行性運(yùn)動障礙,，影響黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元,，表現(xiàn)為震顫、肌肉僵硬和運(yùn)動緩慢,。PD患者大腦中已觀察到線粒體復(fù)合物I缺失,，4個PD相關(guān)家族基因(PINKI、PRKN,、PARK7和LRRK2)參與線粒體質(zhì)量控制,。對PINK 1基因敲除或PARK 7基因敲除大鼠紋狀體突觸線粒體的生物能量和蛋白質(zhì)組學(xué)分析顯示,，線粒體呼吸功能受損，線粒體譜改變,，蛋白質(zhì)水減少平參與三羧酸循環(huán)和電子傳遞鏈?zhǔn)軗p的多巴胺釋放多巴胺神經(jīng),。然而，Lrrk2 -敲除小鼠的多巴胺能神經(jīng)元在其神經(jīng)末梢的呼吸鏈中顯示出降低的蛋白質(zhì)水平,，當(dāng)暴露于壓力時,，這些動物比野生型小鼠出現(xiàn)了更嚴(yán)重的運(yùn)動障礙。突觸前蛋白a-synuclein（α-突觸核蛋白）是帕金森病的病理路易小體的主要組成部分,，在氧化或代謝應(yīng)激中誘導(dǎo)線粒體功能障礙,，表達(dá)突變a-synuclein的轉(zhuǎn)基因小鼠表現(xiàn)出線粒體變性和神經(jīng)遞質(zhì)釋放受損。事實上,，在人類神經(jīng)元中,，a-synuclein水平的增加會破壞軸突線粒體運(yùn)輸，導(dǎo)致能量不足,，導(dǎo)致突觸變性,。值得注意的是，在這些神經(jīng)元中,，MIRO1水平降低,，而SNPH水平顯著升高，反映了驅(qū)動力與錨定力之間的不平衡,。對帕金森病死亡后幸存的多巴胺能神經(jīng)元的分析顯示,，與對照組相比，電子傳遞鏈中的關(guān)鍵蛋白水平升高,，剩余軸突和突觸中的線粒體數(shù)量增加,。這項研究表明，補(bǔ)償性能量提升對多巴胺能神經(jīng)元存活和多巴胺傳遞至關(guān)重要,，強(qiáng)調(diào)了突觸能量的拯救作為一種潛在的治療方法,。 ▉ 結(jié)論
近年來的研究已經(jīng)開始揭示突觸能量代謝活性依賴和能量敏感調(diào)控的機(jī)制。突觸傳遞的能量調(diào)節(jié)與一系列線粒體功能障礙,、突觸前線粒體維護(hù)受損,、突觸能量衰竭、突觸功能障礙和突觸丟失相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病密切相關(guān),。糖酵解和氧化磷酸化對突觸功能的相對貢獻(xiàn)需要在有和沒有固定線粒體的單個突觸上進(jìn)行檢查,。進(jìn)一步的研究還需要了解突觸活動和Ca2 信號是如何與能量傳感通路協(xié)調(diào)，以促進(jìn)神經(jīng)元放電和長期突觸可塑性過程中的局部能量代謝,。 此外,，尚不清楚活動是如何通過重塑線粒體的生物能量表現(xiàn)來誘導(dǎo)同步能量適應(yīng)的。最近的一項研究揭示了一種外泌體介導(dǎo)的跨細(xì)胞途徑，通過該途徑,，少突膠質(zhì)細(xì)胞來源的乙?；?/span>2被傳遞到軸突，通過線粒體蛋白去乙?；鰪?qiáng)生物能,。該研究開辟了一個全新的研究領(lǐng)域，研究少突膠質(zhì)細(xì)胞-軸突信號在能量代謝調(diào)節(jié)中的作用,，超越了少突膠質(zhì)細(xì)胞在電氣絕緣中的作用,。 在主要神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)障礙的早期階段，生物能量衰竭是一個常見的問題,，因此,，它是否發(fā)揮了趨同的病理作用，導(dǎo)致突觸功能障礙和軸突退化,，以及挽救生物能量缺陷是否減緩進(jìn)展或減弱發(fā)病機(jī)制成為緊迫的問題。了解突觸能量失效背后的疾病相關(guān)機(jī)制對于設(shè)計能量拯救策略至關(guān)重要,。 功能性磁共振成像和正電子發(fā)射斷層掃描為腦代謝提供了有價值的見解,。然而，目前的成像工具在評估突觸水平分辨率的體內(nèi)能量代謝方面能力有限,，因此需要開發(fā)敏感ATP傳感器來跟蹤病變大腦中的突觸能量動力學(xué),。這將有助于我們理解在健康、衰老和病理壓力下,，活動依賴的能量敏感途徑如何調(diào)節(jié)突觸前線粒體氧化磷酸化和糖酵解,。新出現(xiàn)的證據(jù)表明，病變大腦中存活的神經(jīng)元和突觸的代償能量代謝,，為恢復(fù)或促進(jìn)神經(jīng)障礙早期階段的突觸能量提供了一種令人興奮和有希望的治療方法,。 參考文獻(xiàn)： 【1】Terstappen GC, Meyer AH, Bell RD, Zhang W. Strategies for delivering therapeutics across the blood-brain barrier. Nat Rev Drug Discov. 2021 May;20(5):362-383. doi: 10.1038/s41573-021-00139-y. Epub 2021 Mar 1. PMID: 33649582. 【2】Pardridge WM, Buciak JL, Friden PM. Selective transport of an anti-transferrin receptor antibody through the blood-brain barrier in vivo. J Pharmacol Exp Ther. 1991 Oct;259(1):66-70. PMID: 1920136. 【3】Jinhyung, A. et al. Bispecific antibody to A-syn/IGFR1 and use thereof. WIPO patent WO2019117684 (2018)
編輯人：寧帥同學(xué)
推文用于傳遞知識，如因版權(quán)等有疑問,，請于本文刊發(fā)30日內(nèi)聯(lián)系醫(yī)藥速覽,。
|
