Окисление жирных кислот организует митохондриальные суперкомплексы для поддержания астроцитарных АФК и когнитивных функций.

Jul 18, 2023

Метаболизм природы, том 5, страницы 1290–1302 (2023 г.) Процитировать эту статью

8901 Доступов

1 Цитаты

114 Альтметрика

Подробности о метриках

Имея прямой доступ к сосудам головного мозга, астроциты могут поглощать доступные питательные вещества из крови и метаболизировать их для удовлетворения своих собственных энергетических потребностей и доставки промежуточных продуктов метаболизма в локальные синапсы1,2. Следовательно, эти глиальные клетки должны быть метаболически адаптируемыми к замене различных субстратов. Однако исследования in vitro и in vivo неизменно показывают, что астроциты в основном гликолитические3,4,5,6,7, что позволяет предположить, что глюкоза является их основным метаболическим предшественником. Примечательно, что транскриптомные данные8,9 и исследования in vitro10 показывают, что астроциты мыши способны митохондриально окислять жирные кислоты и что они могут детоксицировать избыток жирных кислот, полученных из нейронов, в моделях заболеваний11,12. Тем не менее, фактическое метаболическое преимущество использования жирных кислот астроцитами и его физиологическое влияние на функции головного мозга высшего порядка остаются неизвестными. Здесь мы показываем, что нокаут карнитин-пальмитоилтрансферазы-1А (CPT1A) — ключевого фермента окисления митохондриальных жирных кислот — в астроцитах взрослых мышей вызывает когнитивные нарушения. Механически снижение окисления жирных кислот изменило метаболизм астроцитарного пирувата, чтобы облегчить поток электронов через сверхсобранную дыхательную цепь митохондрий, что привело к ослаблению образования активных форм кислорода. Таким образом, астроциты естественным образом метаболизируют жирные кислоты, чтобы сохранить дыхательную цепь митохондрий в энергетически неэффективной разобранной конформации, которая обеспечивает передачу сигналов активных форм кислорода и поддерживает когнитивные функции.

Чтобы выяснить уровни экспрессии генов, кодирующих использование жирных кислот в астроцитах и ​​нейронах, мы провели количественную ПЦР с анализом обратной транскрипции (RT-qPCR), которая выявила повышенное содержание матричной РНК в карнитин-пальмитоилтрансферазе-1A (Cpt1a), ответственной за Вход длинноцепочечного ацил-КоА в митохондрии13 - и снижение ацетил-КоА-карбоксилазы-1 (Acc1) - ответственного за биосинтез ингибитора CPT1A- малонил-КоА14-мРНК в первичных астроцитах мыши по сравнению с нейронами (дополнительный рисунок 1a) . Кроме того, содержание мРНК митохондриальной изоформы Acc2, которая обнаруживается в высокой степени в окислительных тканях, таких как скелетные мышцы и сердце15, длинноцепочечной ацетил-КоА-дегидрогеназы (Acadl), которая катализирует начальную стадию окисления митохондриальных жирных кислот, Было обнаружено, что Cpt1c, расположенный в эндоплазматическом ретикулуме, и митохондриальный трифункциональный белок α (Mtpα), который функционально ответственен за перенос электронов от митохондриальных длинноцепочечных жирных кислот к митохондриальным дыхательным комплексам I (CI) и III (CIII)16, выше у астроциты по сравнению с нейронами (дополнительный рисунок 1а). Хотя это относительные значения, они согласуются с предыдущими наблюдениями8,9,10, предполагающими, что астроциты лучше, чем нейроны, оснащены для митохондриального окисления длинноцепочечных жирных кислот. Чтобы функционально подтвердить это утверждение, скорость потребления кислорода (OCR) была проанализирована в астроцитах и ​​нейронах с использованием технологии Seahorse в среде на основе глюкозы либо в отсутствие, либо в присутствии этооксира: мощного и необратимого ингибитора CPT1 (ссылка 17). Как показано на дополнительном рисунке 1b, базальное митохондриальное дыхание оказалось примерно в 1,7 раза выше в нейронах по сравнению с астроцитами, что подтверждает предыдущие результаты18. Примечательно, что доля ингибирования митохондриального OCR этимоксиром составляла примерно 20% в нейронах и примерно 35% в астроцитах (дополнительный рисунок 1b), что указывает на то, что жирные кислоты являются предпочтительными митохондриальными респираторными субстратами для астроцитов, чем для нейронов. Примерно 62% астроцитарного АТФ-связанного митохондриального дыхания поддерживалось жирными кислотами (дополнительный рисунок 1b).

Чтобы исследовать метаболическое преимущество окисления митохондриальных жирных кислот в астроцитах in vivo, в противном случае преодолевая потенциальные недостатки фармакологических ингибиторов, мы генетически сконструировали специфичную для астроцитов модель мыши с нокаутом Cpt1a (KO). Для этого 2-месячным мышам Cpt1alox/lox19 внутривенно вводили через ретроорбитальный синус20 частицы аденоассоциированного вируса (AAV) серотипа PHP.eB, экспрессирующие рекомбиназу Cre, управляемую специфичной для астроцитов глиально-фибриллярной кислотой. короткий промотор белка (GFAP) (PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP) (рис. 1а). Такое лечение было эффективным, о чем судили по широкой экспрессии зеленого флуоресцентного белка (GFP) в головном мозге (дополнительный рисунок 1c). Контрольной группой (дикий тип, WT) были мыши Cpt1alox/lox, получившие эквивалентные дозы тех же вирусных частиц, за исключением того, что у них отсутствовала рекомбиназа Cre, и всех мышей анализировали через 1–9 месяцев (рис. 1а). Как показано на рис. 1b (дополнительный рисунок 1d), обработка PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP вызывала значительное снижение содержания белка CPT1A в мозге. Учитывая, что мозг помимо астроцитов содержит и другие типы клеток, мы также проанализировали содержание CPT1A в астроцитах ex vivo, иммуномагнитно изолированных из мозга взрослых мышей CPT1A KO (рис. 1а), что выявило отмену CPT1A, особенно у астроцит-положительных (ACSA +) мышей. фракция, но не астроцитарно-негативная (ACSA-) фракция (рис. 1в). Чтобы убедиться в функциональной эффективности CPT1A KO, свежевыделенные ex vivo срезы мозга взрослых мышей инкубировали с [U-14C]пальмитиновой кислотой для оценки скорости продукции 14CO2 как показателя потока окисления жирных кислот. Как показано на рис. 1d, поток окисления в мозге был значительно снижен примерно на 75% у CPT1A KO по сравнению с мышами WT. Чтобы объяснить, изменила ли потеря астроцитарного CPT1A другие пути метаболизма головного мозга, мы провели нецелевой метаболомный анализ образцов головного мозга. Как показано на графике вулкана (дополнительный рисунок 1e) и на тепловой карте (дополнительный рисунок 1f), мы обнаружили, что количество 17 метаболитов значительно уменьшилось, а количество 43 метаболитов значительно увеличилось в мозге мышей CPT1A KO, специфичных для астроцитов. Результаты показали увеличение содержания длинноцепочечных жирных кислот и производных ацил-карнитина с длинной цепью и снижение содержания короткоцепочечных жирных кислот (рис. 1e), что позволяет предположить снижение использования длинноцепочечных и увеличение короткоцепочечных жирных кислот. Примечательно, что концентрация пирувата была значительно снижена примерно на 26% в мозге мышей CPT1A KO, специфичных для астроцитов (рис. 1e), что указывает на изменение метаболизма этого промежуточного продукта гликолитического конечного продукта.