Cell | 未成熟神经元婉拒Warburg：既要糖酵解做主角，还要线粒体不沉默——ATP合成酶的功...

家族性智力低下是最常见的一种X染色体连锁的遗传病，称为脆性X综合征（Fragile X syndrome，FXS），是由于Fmr1基因中CGG重复扩增导致脆性X智力低下蛋白（FMRP）表达缺失所导致的【1】，尚无可救药。它的表型是mRNA翻译率持续增加、突触和树突棘的形态不成熟、突触可塑性异常、兴奋性和毒性增强等。这些神经元的结构和功能缺陷与学习能力丧失以及自闭症相关。

FXS中的神经元发育不良的重要标志就是线粒体代谢异常，线粒体内膜严重渗漏，导致呼吸不足、能量代谢异常。作者前期研究发现ATP合成酶的膜嵌入单元存在内膜渗漏，同时，Fmr1-/y小鼠线粒体异常活跃。

2020年8月13日，耶鲁大学医学院Pawel Licznerski和Elizabeth A. Jonas领导的团队在Cell 杂志上发表题为ATP Synthase c-Subunit Leak Causes Aberrant Cellular Metabolism in Fragile X Syndrome的研究论文，作者认为FX神经元和突触的线粒体内膜渗漏是由异常高水平的ATP合成酶c亚基引起的，作者称之为“渗漏代谢”（leak metabolism），有趣的是，这种渗漏代谢的情况下，糖酵解和氧化呼吸都非常活跃。另外，抑制ATP合成酶的渗漏之后，可以促进突触的成熟，还可以改善FX模型小鼠的自闭症。

在能量需求增加的情况下，H 穿过线粒体ATP合成酶，引起了ATP合成酶复合物的构象变化，从而产生了ATP；同时，ATP合成酶可以水解ATP提供能量，使H 反向穿过线粒体内膜。在Fmr1-/y小鼠脑内，即使ATP生成很少，但电子传递链高效运行，提示线粒体内可能存在一些细微变化，后来作者观察到了模型小鼠神经元线粒体形态和功能的变化，其中，线粒体膜电位非常低，可能是由于线粒体内膜渗漏助力了渗漏代谢导致的内膜去极化，从而ATP水平下降。

作者的蛋白质组学结果表明（图1），FX神经元的糖酵解酶增加，包括己糖激酶II、丙酮酸激酶M2变体和乳酸脱氢酶；另外，TCA循环和NAD /NADH代谢相关酶也都增加，包括苹果酸/天冬氨酸穿梭酶和异柠檬酸脱氢酶；同时，乳酸水平也显著增加。高糖酵解活性、乳酸生成以及TCA循环酶的增加，是未成熟和发育中细胞的标志性特征【2】。而地塞米松能有效降低FX神经元的乳酸水平，并逆转糖酵解酶和TCA酶的异常。

图1. FX皮质神经元的代谢谱显示糖酵解/TCA通量增强

ATP合成酶存在一个高度调节的多导通道，这个通道主要包含于膜上F0位置的c亚基环中，为了确定c亚基渗漏通道是否直接调节mRNA的翻译率，作者通过siRNA适度消耗ATP合酶的c亚基，以及通过地塞米松、环孢霉素A等药物来抑制ATP合酶渗漏通道，结果发现蛋白合成速率降低、mRNA翻译率降低、乳酸和关键糖酵解和TCA循环酶的水平也都降了下来，促进了突触的成熟。

FMRP调节线粒体内膜渗漏的一种潜在机制是控制FMRP结合的、编码ATP合酶b亚基的mRNA翻译。FMRP通过刺激依赖性ATP合成酶b亚基的翻译调节野生型小鼠突触的渗漏闭合，而非FX突触；由此增加了ATP合成酶c亚基的比率，提高了ATP生成效率和突触生长。

Fmr1-/y小鼠注射地塞米松后，小鼠的自闭症行为学表征都得到了明显的改善，由此可见，抑制ATP合酶c亚基的渗漏减弱了自闭症的症状，促进了哺乳动物的正常行为发育。

图2. 文章小结

Warburg认为：对于未成熟的细胞而言，它们更倾向于糖酵解产生ATP，而非线粒体产生ATP【3】。有个目前尚未证实的观点认为，在突触形成过程中可能会发生氧化磷酸化的转变。在神经系统的发育过程中，耗氧量非常高，同时伴随着很高的糖酵解通量；随着神经元发育逐渐成熟，氧化磷酸化承担了主要的代谢，耗氧量就变少了【2】。然而，代谢的过程中，绝不是单纯的“糖酵解”和“氧化磷酸化”【4】，当糖酵解发挥主要作用的时候，线粒体不见得会保持沉默，它会更加活跃起来，活跃的线粒体代谢和TCA循环使得合成代谢包括脂质的生物合成、蛋白质合成、核酸生物合成都显著增加，这样的过程中有大量的代谢酶参与。

在这个研究中，FX神经元和突触中变化的酶类几乎包含了上述所有途径，表明在发育过程中，神经元和突触内活跃的代谢过程。在存在内膜渗漏的情况下，TCA循环可能会运行得更快，这种渗漏代谢表型很可能对FX神经元有利，因为它们需要增加蛋白质合成，同时可能需要增加脂质供应以进行膜重塑。因此，神经元不成熟的渗漏代谢特点是高糖酵解/TCA通量和高电子传输，氧消耗增加而不是减少。

尽管这项研究中作者的注意力看似集中在ATP合成酶相关的渗漏代谢上，但ATP合成酶只是复杂线粒体膜结构的一小部分，线粒体膜结构的改变可能在正常的突触成熟过程中发挥重要作用，线粒体可塑性可能是成熟突触形成过程的重要环节。

原文链接：

https:///10.1016/j.cell.2020.07.008

制版人：MENG

参考文献

1. Dölen G, Carpenter RL, Ocain TD, Bear MF. (2010). Mechanism based approaches to treating fragile X. Pharmacol. Ther. 127, 78–93.

2. Fame RM, Shannon ML, Chau KF, Head JP, Lehtinen MK. (2019). A concerted metabolic shift in early forebrain alters the CSF proteome and depends on MYC downregulation for mitochondrial maturation. Development 146, dev1828573.

3. Warburg O. (1956). On respiratory impairment in cancer cells. Science 124, 269–270.

4. Liu J, Peng Y, Shi L, et al. (2020). Skp2 dictates cell cycle-dependent metabolic oscillation between glycolysis and TCA cycle. Cell Res. 10.1038/s41422-020-0372-z.