长期以来,神经科学与代谢学领域流行的观点是:成年哺乳动物的大脑和神经元主要依赖葡萄糖提供能量,脂肪酸在脑内并非主要燃料。近期一项来自Nature Metabolism的研究彻底挑战了这一传统认知,提示神经元在日常与高活动需求下,实际上会利用由内源性酶释放的长链饱和脂肪酸进入线粒体进行β-氧化,为ATP合成提供显著能量支持。该研究不仅揭示了新的代谢通路,还将基础发现与罕见遗传病HSP54(由DDHD2基因突变引起)以及可能的补救策略联系在一起,对神经代谢、记忆与神经退行性疾病的理解产生深远影响。 从"只靠葡萄糖"到脂肪酸供能的再认识 传统观点之所以强调葡萄糖,是基于大量体外线粒体研究和脑代谢成像技术的结论:脑组织在稳态条件下对葡萄糖消耗极大,脂肪酸氧化被认为受限或危险(可能产生过多的ROS并影响脑组织)。然而,在活体或接近生理刺激条件下,神经元内的代谢情境更为复杂。研究团队通过细胞与分子手段发现,神经元并非完全排斥脂肪酸作为燃料,而是在特定条件下主动释放并利用某些饱和长链自由脂肪酸来补充能量需求。
关键酶:DDHD2释放饱和自由脂肪酸 DDHD2是一种细胞内的磷脂酶A1,能够从磷脂和三酰甘油中切下饱和自由脂肪酸(sFFA),研究指出其产物以肉豆蔻酸(C14:0)、棕榈酸(C16:0)和硬脂酸(C18:0)为主。作者在野生型小鼠与神经细胞中发现:在学习记忆或电活动增强的条件下,DDHD2活性上升,诱发这些sFFA的释放。相反,DDHD2基因敲除(Ddhd2−/−)动物在基线与活动后均显示脑内sFFA含量降低,并伴随认知及运动缺陷,类似于人类的HSP54病理表现。 能量代谢的直接证据:线粒体呼吸、ATP与乙酰辅酶A减少 在体外培养的海马神经元中,Ddhd2缺失导致显著的线粒体呼吸(OCR)下降和细胞内ATP水平降低,尽管糖酵解(ECAR)反而上升,显示代偿性的糖代谢增强但无法完全代替脂肪酸氧化所贡献的能量。脑组织中乙酰辅酶A(acetyl-CoA)水平也显著下降,暗示三羧酸循环底物输入受限。更重要的是,神经元成熟后表达完整的β-氧化与肉毒碱循环相关酶(包括Cpt家族成员),意味着神经元具备将活化的脂肪酸送入线粒体并氧化的分子装备。
机制验证:CoA活化脂肪酸能够恢复能量,Cpt1抑制剂阻断效应 因为脂肪酸进入β-氧化途径前需被活化为脂酰-辅酶A(acyl-CoA),研究团队用预先与CoA结合的肉豆蔻酰-CoA、棕榈酰-CoA与硬脂酰-CoA(分别称M-CoA、P-CoA、S-CoA)补充Ddhd2−/−神经元。48小时处理后,线粒体呼吸、最大呼吸能力与ATP产量显著恢复。相反,使用etomoxir(一种Cpt1抑制剂,阻断长链脂肪酸进入线粒体)会抑制野生型神经元的线粒体呼吸并让ATP进一步下降,也阻断了M-CoA的恢复效应。这些结果强烈支持:DDHD2释放的sFFA在神经元内通过肉毒碱转运进入线粒体并通过β-氧化为ATP供给重要贡献。 脂肪酸不仅补能,还参与蛋白质脂化、膜动态与突触功能 研究进一步表明,三种sFFA的功能并不局限于能量代谢。肉豆蔻酸与棕榈酸分别是N-端我的ristoylation和S-棕榈酰化等蛋白脂化修饰的供体,这些翻译后修饰参与蛋白定位、稳定性和信号传导。
Ddhd2缺失导致广泛的蛋白组学紊乱,涉及线粒体、突触、内质网、高尔基和囊泡运输等多个细胞器和功能模块。值得注意的是,单独的S-CoA(硬脂酰-CoA)对大部分蛋白组恢复效果不佳;而联合补充M:P:S-CoA的组合,在48小时内能显著将多数异常蛋白丰度恢复到近似对照水平,提示理想的脂肪酸比例与协同作用对细胞稳态至关重要。 形态学与功能层面的病理与修复 在超微结构上,Ddhd2缺失神经元表现为细胞体线粒体显著肿大、突触区线粒体分布改变,突触前囊泡回收出现异常,大量大内涵体(endosome)累积而典型的囊泡再生减少。功能上,突触处ATP较低,电刺激后ATP下降更明显,许多末梢对高频刺激无响应或响应减弱。补充脂酰-CoA后,这些结构与功能异常多数得到逆转,包括线粒体面积恢复、突触囊泡数量回升、内涵体减少和vGlut1-pHluorin示踪的囊泡循环动力学部分恢复。研究还发现,Ddhd2影响膜流动性(membrane order),活动诱导下野生型神经元膜有动态改变,而Ddhd2−/−对这些改变丧失响应,提示sFFA释放在膜物理化学状态调节中发挥作用。
人类疾病相关性:HSP54与DDHD2突变模型的治疗启示 人类的DDHD2双等位基因突变会导致HSP54,一种表现为儿童期起病、进行性痉挛性麻痹并伴随认知缺陷的罕见病。研究通过将已知HSP54相关的DDHD2突变(例如W103R)表达在Ddhd2−/−神经元中,复制了突变带来的蛋白不稳定性与突触ATP缺陷。令人鼓舞的是,M:P:S-CoA的短期应用能提升突触ATP并恢复刺激响应,提示外源性活化脂肪酸可能成为一种潜在的治疗策略。研究者同时指出,预先与CoA结合的脂酰分子在细胞中比游离脂肪酸更易处理,且在实验条件下未观察到明显的氧化应激增加(低剂量下),这为未来转向体内或临床前模型的给药方案研究提供了可行性基础。 风险、限制与谨慎之处 尽管发现令人振奋,但研究也明确了若干限制。大部分实验证据来自体外培养的海马或皮层神经元,以及小鼠模型,是否完全适用于人类神经元或脑组织仍需在更多模型中验证。
高剂量的脂酰-CoA可能诱发ROS上升与线粒体DNA损伤,提示剂量与给药窗口必须严格优化。外源性脂酰-CoA如何穿越细胞膜并进入细胞内代谢流仍不完全清楚,未来需要阐明其摄取与分布机制。此外,DDHD2缺失导致的病理不只是能量缺乏,还包括蛋白组稳态、膜脂平衡、囊泡运输等多重影响,单一的能量补偿可能并不能完全恢复所有损害。 对大脑代谢研究与临床的潜在影响 这一发现为神经代谢研究提出了多条新路径。首先,它促使科研社区重新评估神经元对脂类燃料的能力与适用情境,尤其是在高活动量、学习记忆或代谢压力时的作用。其次,它将脂代谢与突触回收、膜动力学、蛋白脂化等过程联系起来,表明脂肪酸不仅仅是"燃料",还是信号与调节分子。
临床上,对HSP54等由DDHD2突变引起的疾病,基于脂酰-CoA的代谢补充可能成为首个有针对性的治疗方向;同时,脂代谢在老化、阿尔茨海默病等神经退行性疾病中的改变也提示可能的广泛关联与干预窗口。 未来研究方向 接下来的研究需要填补若干关键空白:在人体来源的神经元与脑类器官中验证DDHD2依赖的sFFA释放与β-氧化通路;探索脂酰-CoA在体内分布、跨血脑屏障转运及长期安全性;解析哪些蛋白通过肉豆蔻酰化或棕榈酰化受益于DDHD2释放的底物,以及这些修饰如何影响神经回路功能;开发小分子或基因治疗策略以恢复或替代DDHD2活性;在神经退行性疾病模型中评估脂代谢调节的保护潜力。 结语 DDHD2介导的饱和长链脂肪酸释放与神经元内源性β-氧化的发现,为我们对大脑能量代谢的理解打开了新视窗。神经元并非仅仅依靠葡萄糖;在特定生理或病理情境下,内源性脂肪酸提供了不可忽视的能量和调控资源。围绕DDHD2的研究不仅深化了代谢与突触生物学之间的联系,也为罕见遗传病HSP54提供了可操作的治疗思路。未来将需要更多跨学科的研究来把这些分子机制转化为安全有效的治疗策略,为受影响患者与更广泛的神经疾病研究带来希望。
。
