好書推薦！《動物行為實驗指南》電子版pdf，網盤發貨

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大腦活動依賴于穩定的血糖供應。星形膠質細胞表達葡萄糖轉運蛋白1（GLUT1），通常被認為是它們攝取葡萄糖的主要途徑，以維持對神經元的代謝和抗氧化支持。雖然GLUT1缺乏會導致嚴重的發育障礙，但它在成年星形膠質細胞中的作用尚不清楚。

基于此，2025年5月6日，瑞士蘇黎世大學藥理學與毒理學研究所Aiman S. Saab研究團隊在Nature communications雜志發表了“Astrocytic GLUT1 deletion in adult mice enhances glucose metabolism and resilience to stroke”揭示了成年小鼠星形膠質細胞中GLUT1的缺失增強了葡萄糖代謝和對中風的抵抗力。

作者發現，在成年期小鼠星形膠質細胞特異性地敲除GLUT1后，星形膠質細胞和神經元均能耐受這種缺失。雄性GLUT1條件敲除（cKO）小鼠的感知運動功能和記憶功能保持正常，表明GLUT1的缺失并未損害其行為能力。盡管缺乏GLUT1，星形膠質細胞的基礎葡萄糖水平仍保持正常，但其葡萄糖消耗量增加了兩倍以上，表明其代謝活性增強。在中風后，雄性GLUT1 cKO小鼠的腦梗死體積顯著減小，這表明增強的星形膠質細胞葡萄糖代謝具有神經保護作用。作者的研究揭示了星形膠質細胞在代謝上的適應能力，即使在其主要葡萄糖轉運體（GLUT1）缺失的情況下，仍能維持葡萄糖攝取和對神經元的支持功能。

圖一 成年小鼠星形膠質細胞中GLUT1的可誘導性缺失

星形膠質細胞被認為主要依賴GLUT1這一關鍵葡萄糖轉運蛋白來確保葡萄糖的攝取和糖酵解。為了研究GLUT1在成年小鼠星形膠質細胞葡萄糖代謝和腦功能中的作用，作者構建了可誘導且星形膠質細胞特異性的GLUT1條件性敲除小鼠（GLUT1 cKO小鼠）。在8至10周齡的GLUT1 cKO小鼠中通過他莫昔芬處理誘導GLUT1基因重組并在注射后約60天進行實驗。同窩對照小鼠也接受了相同的他莫昔芬處理。鑒于內皮細胞表達高水平的GLUT1，采用去毛細血管腦組織勻漿進行了蛋白質印跡分析以評估GLUT1在GLUT1 cKO小鼠中的缺失情況。GLUT1的55 kDa亞型在腦微血管中含量豐富，而星形膠質細胞中表達的45 kDa亞型則主要存在于去毛細血管的腦組織勻漿中。在GLUT1 cKO小鼠前腦裂解液中，這種45 kDa亞型的表達水平相比對照組減少了約50%，考慮到星形膠質細胞僅占前腦細胞的大約20%，并且其他神經細胞類型也表達GLUT1，這一減少幅度明顯。免疫印跡分析顯示GLUT2、GLUT3和GLUT4的表達水平沒有明顯變化，這表明星形膠質細胞中GLUT1的缺失并未影響這些其他主要葡萄糖轉運蛋白的表達。通過對免疫沉淀樣本進行qPCR和RNA-seq分析，發現cKO小鼠中Slc2a1轉錄本的豐度比對照組減少了70%。對免疫沉淀樣本的RNA-seq分析顯示，不同基因型之間其他GLUTs的mRNA水平沒有顯著差異。成年腦組織在一定程度上也可以利用循環中的乳酸和酮體作為能量來源，這些物質通過單羧酸轉運蛋白1進入大腦。然而，未發現Slc16a1或其他主要MCTs表達水平有明顯變化。差異基因表達分析共鑒定出13個在不同基因型之間顯著上調或下調的差異表達基因，反映出整體翻譯譜的適度變化。基因富集分析揭示了一些生物學過程，如液泡酸化、膠質細胞分化的正向調控以及RNA加工等。值得注意的是，在與能量代謝相關的通路中未觀察到明顯變化，這表明GLUT1的缺失并未顯著影響星形膠質細胞中代謝相關基因的翻譯。

圖二 星形膠質細胞中GLUT1的缺失不會影響感覺運動、學習或記憶功能

考慮到GLUT1作為星形膠質細胞中主要葡萄糖轉運蛋白的關鍵作用，作者接下來研究了其缺失是否會影響星形膠質細胞功能，從而影響神經元的存活與完整性。對來自皮層免疫沉淀樣本的RNA-seq數據分析顯示，在不同基因型之間，星形膠質細胞反應性標志物的表達沒有差異，這表明在GLUT1缺失后并未出現星形膠質細胞增生。同樣地，通過免疫印跡和免疫染色檢測GFAP的表達，該蛋白通常在星形膠質細胞增生和神經炎癥狀態下會上調，結果顯示在cKO小鼠皮層中與對照組相比無明顯差異。Sholl分析顯示，不同基因型之間的星形膠質細胞形態具有可比性。星形膠質細胞密度保持正常并且未見小膠質細胞激活的跡象。此外，不同基因型之間神經元細胞密度也相似。因此，星形膠質細胞中GLUT1的缺失并未引發繼發性的神經炎癥或變性。為了確定GLUT1的缺失是否影響系統性代謝穩態，評估了體重和非禁食狀態下的血糖濃度，結果顯示在雄性cKO小鼠與對照小鼠之間無顯著差異。這表明星形膠質細胞中GLUT1的缺失不會改變基礎血糖穩態。鑒于已知星形膠質細胞功能障礙會影響感覺運動和認知能力，進一步研究了星形膠質細胞中GLUT1的缺失是否影響行為功能。作者在他莫昔芬處理后2-3個月，評估了雄性cKO小鼠及其同窩對照小鼠的感覺運動能力和認知表現。感覺運動能力通過步態分析、后肢抓握和水平鋼絲測試進行評估，所有測試的總得分在對照組和cKO小鼠之間均相當。為了評估空間學習和記憶能力，采用了Barnes迷宮任務，其中小鼠必須利用視覺線索學會并記住逃生孔的位置。在訓練階段的學習曲線在不同基因型之間相似，表明cKO小鼠的空間學習能力完好。此外，在記憶回憶階段，對照組和cKO小鼠都能以相似的效率找到目標孔，證實其記憶形成和保留能力正常。同時，兩組小鼠行走的距離也相近，說明其運動活動能力正常。還進行了被動回避實驗，這是一個基于恐懼的學習范式，因為已有研究表明星形膠質細胞代謝在恐懼相關記憶形成中具有重要作用。在訓練階段，不同基因型的小鼠進入暗室的時間相似，這是小鼠的一種自然行為，在進入后它們會受到足底電擊。在1小時和24小時后的測試中，對照組和cKO小鼠進入暗室的潛伏時間都顯著延長，表明在短期和長期記憶形成方面，兩種基因型之間沒有差異。GLUT1 cKO動物在學習和記憶方面未檢測到明顯的損傷，表明在這些條件下，星形膠質細胞中GLUT1的缺失并未明顯干擾認知功能。

圖三 GLUT1 cKO小鼠中腦卒中誘導的神經損傷減輕

星形膠質細胞中葡萄糖代謝的增強可能在腦卒中情況下具有神經保護作用，這可能是通過為神經元提供更多乳酸（一種替代能量來源），以及增加谷胱甘肽的生成（這對于緩解氧化應激至關重要）來實現的。為了驗證這一假設，作者對雄性GLUT1 cKO小鼠及其對照小鼠進行了凝血酶誘導的中動脈閉塞手術（腦卒中模型）。在卒中誘導前后進行激光散斑成像，結果證實兩組之間的閉塞引起的腦血流減少程度相似，這確保了不同基因型之間卒中損傷的比較具有可比性。卒中后體重變化反映了整體健康狀況和應激水平，在對照組和GLUT1 cKO小鼠之間沒有明顯差異。卒中發生一周后，對動物進行灌注并取腦組織，用于分析神經損傷體積。結果顯示，與同窩對照小鼠相比，GLUT1 cKO小鼠的腦梗死體積顯著減小（約減少43%），這表明GLUT1缺失所導致的星形膠質細胞葡萄糖代謝增強具有神經保護作用。兩種基因型的小鼠均表現出反應性膠質增生：在梗死灶邊緣，星形膠質細胞向梗死核心延伸突起，并被密集的圓形巨噬細胞和小膠質細胞包圍。梗死邊界區（距梗死邊緣0–150 μm）以具有細長、朝向核心方向突起的星形膠質細胞為特征，而梗死周邊區（邊界外150–500 μm）則包含形態上不那么細長的反應性星形膠質細胞。Sholl分析顯示，在梗死邊界區，兩種基因型的星形膠質細胞形態相似且都呈細長狀；而在梗死周邊區，GLUT1 cKO小鼠的星形膠質細胞分支較少。相比之下，該區域的小膠質細胞形態在兩種基因型之間未見明顯差異。GLUT1 cKO小鼠在梗死周邊區星形膠質細胞反應性較低的表型，可能代表了一種減弱的星形膠質細胞反應，這可能有助于減輕腦損傷并促進神經保護作用的實現。

總結

作者發現，在缺乏GLUT1的星形膠質細胞中葡萄糖代謝的增強與腦卒中中的神經保護作用相關。這種保護作用可能源于星形膠質細胞釋放的多種糖酵解產物，它們能夠支持并保護神經元功能。增強的葡萄糖代謝可能會增加乳酸的生成和釋放。已有研究表明，乳酸在缺血性腦卒中中具有神經保護作用，其機制包括：作為神經元的替代能量底物、調節神經元興奮性以及減輕氧化應激。此外，L-絲氨酸的生成增加也可能對神經起到保護作用，已有研究報道L-絲氨酸具有神經保護效應。同時，星形膠質細胞中的葡萄糖還可能進入磷酸戊糖途徑，生成更多的NADPH。NADPH對于維持谷胱甘肽的還原狀態至關重要，而谷胱甘肽是一種抗氧化物質，可保護星形膠質細胞免受氧化應激導致的功能障礙。更重要的是，星形膠質細胞還可以為神經元提供前體物質，這些物質是神經元內合成谷胱甘肽所必需的，從而增強了神經元清除活性氧、維持氧化還原平衡的能力。總體而言，通過增強星形膠質細胞的葡萄糖代謝，從代謝支持、神經保護信號傳導到抗氧化防御等多個通路都可能共同促成了在GLUT1 cKO小鼠中觀察到的神經保護效應。綜上所述，作者的研究強調了星形膠質細胞對葡萄糖的攝取和代謝并不完全依賴于GLUT1，星形膠質細胞具有明顯的代謝適應能力，并且增強其葡萄糖代謝可以帶來神經保護作用。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59400-2