科研 | Acta Neuropathol. :男女性别差异和DNA修复缺陷通过系统性代谢重塑和脑线粒体功能障碍影响阿尔茨海默病
编译：北越城主，编辑：Emma、江舜尧。
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阿尔茨海默氏病（AD）是一种不可治愈的神经退行性疾病，在女性中更为普遍。妇女罹患AD的风险增加尚不清楚。公认的是，在女性中代谢中存在性别差异，并且代谢改变是AD的早期组成部分。我们利用跨物种的方法来评估血清和大脑中保守的代谢变化：包括人类AD受试者，两个AD小鼠模型，一个人类细胞系和两个秀丽隐杆线虫AD株。我们在雌性AD小鼠中发现了皮质突触脑线粒体中的线粒体复合物I特异性损伤。在海马中，Polβ单倍体功能不足引起了雄性和雌性小鼠的突触复合物I损伤，证明了DNA修复在线粒体功能中的关键作用。在来自皮质和海马的非突触的，富含神经胶质的线粒体中，雌性AD小鼠的复杂的II型依赖呼吸增加。这些结果表明，脂肪酸代谢的神经胶质上调以补偿AD中的神经元葡萄糖低代谢。使用非靶标代谢组学方法，我们观察到在患有AD的人和AD小鼠中，全身和大脑代谢重塑的迹象，即从葡萄糖代谢变为脂质代谢。我们确定这种代谢变化是线虫和人类细胞培养AD模型中细胞和生物存活所必需的。我们观察到患有AD的人的性别特异性，全身性和脑代谢改变，并且这些代谢物变化与β淀粉样蛋白和tau病理学显著相关。最重要的代谢物变化之一是六磷酸葡萄糖在AD中的积累，这是己糖激酶的抑制剂和戊糖磷酸途径（PPP）的限速代谢物。总的来说，我们确定了糖酵解抑制，PPP和三羧酸循环损伤的新机制，以及AD脂质代谢的神经保护性增强。这些发现支持预防和治疗AD的针对性的新陈代谢调节策略。
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实验设计
实验结果
1. 雌性AD小鼠的皮质突触线粒体复合体I损伤
出乎意料的是，与WT小鼠相比，雄性皮质突触小体的线粒体复合物I（CI）功能没有变化，但线粒体复合物IV功能在3×和3×βAD小鼠中有所增加（图1a），提示线粒体对雄性AD大脑中脑能量代谢失调的有补偿作用。相反，我们观察到与WT小鼠相比，雌性3×和3×β突触线粒体的皮质突触线粒体中的CI功能显着降低（图1b）。伴随着雌性皮质突触小体中CI功能的下调相伴，我们观察到与雌性WT小鼠相比，非突触（富含星形胶质细胞）复合物II（CII）线粒体功能增加了（图1d）。有趣的是，我们没有发现雄性小鼠的皮质非突触线粒体呼吸有任何差异（图1c），也没有发现复合I或复合II底物下状态3，状态4呼吸或呼吸控制率的显着变化，除了降低了雌性3×β小鼠海马突触线粒体的状态3呼吸。值得注意的是，尽管分离的线粒体蛋白水平相近，雌性野生型小鼠几乎所有测量的呼吸参数都有较高的呼吸速率（图1c，d）。这可能是由于与雄性相比，雌性小鼠皮质中线粒体生物发生的主要调节剂PGC1α显着升高，与基因型无关（p = 0.026）。值得注意的是，已证明PGC1α在人类AD受试者中作为痴呆的函数而下降。综上所述，这些数据表明雌性对神经元线粒体功能障碍的敏感性，并暗示通过通过琥珀酰辅酶A减少的当量来增加星形胶质细胞中脂肪酸代谢的增加，从而促进了琥珀酸脱氢酶（CII）的产生。这些发现与星形胶质细胞在大脑脂肪酸和酮代谢中起主要作用相一致。
然后，我们评估了具有代表性的ETC亚基的蛋白质丰度和仅BH3参与细胞死亡途径的蛋白质（图1e）。与线粒体呼吸功能障碍一致，我们发现来自3×和3×βAD小鼠的雌性但非雄性皮质突触小体中代表性的复合物I亚单位NDUFB8表达显着降低（图1f），复合物II琥珀酸脱氢酶亚基B（SDHB）和复杂III亚基UQCRC2在雄性3×AD小鼠中增加，但不是雌性。实际上，我们观察到雌性的UQCRC2和细胞色素氧化酶亚基MTCO1明显减少，但雄性3×AD小鼠的蛋白质丰度却增加了（图1g-i）。在3xβAD小鼠的皮质突触体中，我们发现雄性和雌性小鼠的UQCRC2和复合V亚基ATP5A均降低（图1h，j），而MTCO1水平仅在雌性3xβAD小鼠中显着降低（图1i）。总之，这些结果表明，雌性AD小鼠对皮层线粒体复合体I功能异常特别敏感，雄性AD小鼠增加细胞色素氧化酶活性以及核和线粒体编码的ETC亚基的表达，以补偿AD的代谢紊乱。
由于雌性皮质突触小体中的生物能损伤可能与先前报道的在人类女性AD受试者中观察到的皮质神经变性率增加有关，因此我们评估了皮质突触线粒体中的凋亡蛋白水平。尽管在男性和女性AD突触体中抗凋亡BCL2均降低（图1l），但我们观察到雌性但非雄性皮层突触体中BAX / BCL2比率显着增加（图1k），并且 BAX级别（图1m）。此外，我们发现3×和3×β皮质突触小体中的凋亡诱导因子（AIF）显着增加（图1n）。AIF因其在细胞死亡中的作用而广为人知。然而，它在氧化还原稳态中也起着重要作用，并且可以促进电子向辅酶Q的转运。因此，增加的AIF丰度可能反映了生理适应机制绕过AD中的复杂I损伤。这些数据共同表明，线粒体代谢改变和细胞死亡信号传导途径的不同机制可能导致观察到在AD女性中更高的皮质萎缩率。
图1 雌性AD小鼠具有线粒体呼吸障碍，并且在皮质中凋亡蛋白的表达增加
2. Polβ缺乏会导致海马突触体线粒体复合体I受损
海马是学习和记忆的关键结构，在男性和女性AD受试者中都逐渐退化。DNA碱基切除修复（BER）能力在AD中下降。因此，我们寻求确定线粒体功能障碍的机制以及BER缺乏在AD小鼠海马中的作用。从海马中分离出的突触小体在雄性（图2a）和雌性（图2b）POLβ小鼠中均表现出CI依赖的呼吸功能障碍，而雌性小鼠中3×β小鼠的CI功能则显着下降，且雄性3×β小鼠（p = 0.12）（图2a，b）趋势类似。这些结果证明了3×AD小鼠缺乏海马突触线粒体功能障碍，并提供了DNAPOLβ在海马神经元代谢中的关键作用的证据。在海马突触线粒体功能障碍中缺乏性别差异，与海马神经变性是男女普遍存在的AD特征一致。与皮质类似，我们观察到来自海马的雄性非突触线粒体的基因型之间没有差异（图2c），但是来自雌性3×β小鼠的非突触海马线粒体的CII介导的呼吸增加（图2d）。我们还观察到雌性3×β小鼠海马非突触线粒体中复杂的IV依赖性呼吸作用显着降低（图2d），表明AD线粒体损伤的脑区域和细胞类型特异性位点，这可能可以解释上述现象关于AD中潜在ETC损害的不同报告。
我们进一步评估了海马突触小体中的ETC蛋白表达（图2e）。与线粒体功能的复杂I介导的损伤相一致，我们观察到雌性小鼠的POLβ和3×β海马突触体中NDUFB8表达显着降低（图2f）。有趣的是，尽管在雄性和雌性小鼠中都观察到了相同的功能缺陷，但我们并未在雄性海马突触体中观察到NDUFB8水平的改变（图2f），这可能表明性别相关的复合物I亚基功能失调是造成呼吸系统损害的原因。复合物II的SDHB亚基在雄性POLβ，3×和3×β小鼠中被下调，而在雌性中，在3×和3×β小鼠中被降低（图2g）。雌性POLβ，3×和3×β雌性海马突触体中复合物III ETC亚基UQCRC2降低，而雄性则保持不变，导致雄性POLβ和3×β海马突触体中UQCRC2的水平显着高于雌性（图2h）。类似地，我们发现雌性WT小鼠的CIV亚基MTIV明显高于雄性WT小鼠（图2i），雌雄性POLβ, 3×和3×β小鼠均显着下降（图2i）。ATP合酶（CV）亚基ATP5A在3×β小鼠中也表现出性别依赖性变化，仅在雌性3×β小鼠中观察到丰度降低（图2j）。这些结果进一步表明性别依赖的线粒体适应AD病理。与我们在皮层中观察到的相似，突触线粒体中CI介导的呼吸功能不足，而非突触线粒体中CII介导的呼吸功能增加，提示星形胶质细胞转换为脂肪酸或酮代谢，从而为附近的神经元提供代谢支持无法有效代谢葡萄糖。我们试图进一步研究这种可能性，同时还确定这种代谢转换是否仅限于大脑，或者是否如假定的那样反映了AD的全身性代谢损伤。
图2 聚合酶β缺乏导致海马突触体CI受损以及雌性非突触海马线粒体CII活性上调
3. AD小鼠体内全身脂肪酸代谢的上调
为了调查生物性别是否影响全身代谢并进一步了解AD中全身代谢重塑的机制，我们对AD小鼠血浆进行了非靶标气相色谱飞行时间质谱（GC-TOF）代谢组学分析。从表型上看，我们观察到在3×和3×βAD小鼠中，雄性比雌性明显胖，表明系统代谢的主要性别差异。该证据表明，代谢失调是AD的主要特征，男女之间固有的代谢差异可能导致女性AD风险增加。偏最小二乘判别分析（PLS-DA）显示，雄性和雌性AD小鼠之间存在显着分离（图3a），表明生物学性别显着影响全身代谢。此外，结果证实了脂肪酸和主要酮体3OH-丁酸酯的上调，在雌性中比雄性AD小鼠更为明显（图3b，c，f）。此外，我们发现TCA循环中间产物柠檬酸，异柠檬酸和2-羟基戊二酸显着积累，表明缺乏通过异柠檬酸脱氢酶和α-酮戊二酸脱氢酶的通量（图3h）。与葡萄糖代谢不足相一致，据报道6-磷酸葡萄糖（G6P）的积累会损害己糖激酶的酶活性，这是葡萄糖代谢的限速步骤（图3g）。此外，G6P是戊糖磷酸途径（PPP）的限速底物，它对NADPH的产生和随后破坏性氧自由基的解毒至关重要，因此将葡萄糖低代谢和氧化应激联系在一起。代谢物富集（MSE）途径分析表明，受影响的代谢途径包括：α亚麻酸和亚油酸代谢，脂肪酸生物合成，甜菜碱代谢，亚精胺和精胺生物合成，核苷酸糖代谢，磷脂生物合成，苏氨酸和2-氧代丁酸酯降解，肌醇代谢，酮体代谢，儿茶酚胺的生物合成，线粒体中的脂肪酸延伸，嘌呤代谢，PPP，TCA周期和线粒体ETC（图3e）。代谢物途径改变的概述在图3i中描述。这些结果证明在AD小鼠中从糖酵解到脂质代谢的系统性转变是明显的，并且糖酵解，TCA循环和PPP抑制的不同位点可能在与AD病因有关的代谢改变中起作用。
图3 AD小鼠血浆中的糖酵解，磷酸戊糖，TCA循环途径和脂肪酸代谢上调的全身功能障碍
4. AD小鼠皮质脂解和酮分解酶上调
为了研究AD小鼠的大脑中脂肪酸代谢和酮利用（酮分解）是否也增加，我们通过油红O染色评估了脑脂质滴的丰度（图4a）。与增加的CII介导的呼吸作用（图1d，图2d）和在AD小鼠中观察到的脂肪酸代谢的全身性增强（图3）相一致，我们发现内嗅皮层和内脏皮层中脂滴的贮存都显着减少。3×β小鼠的海马CA3区（图4a，b）。脂质氧化需要几个步骤才能从脂质存储中释放出游离脂肪酸，将脂肪酸导入线粒体基质中以进行β氧化，并形成酮体以进行乙酰辅酶A和ATP合成。因此，我们研究了AD小鼠皮层中这些途径中关键参与的酶的蛋白质水平（图4c，d）。我们之前已经观察到3×β小鼠整个大脑中脂蛋白脂肪酶（LPL）表达的明显增加利用空间转录组学方法。实际上，我们在AD小鼠中观察到脂蛋白脂肪酶（LPL）（图4e）和肉碱棕榈酰转移酶-1（CPT-1）表达的蛋白水平增加（图4f）。CPT-1对于将脂肪酸导入线粒体以进行β氧化至关重要。对人类AD患者的CPT-1活性的研究是有限的，迄今为止，尚未发现其活性有明显差异。但是，我们之前已经观察到，死后人类AD脑中的脂肪酸代谢发生了变化。过氧化物酶体也可以协调脂肪酸的β氧化。我们确定过氧化物酶体脂肪酸转运蛋白ABCD3 / PMP70在AD小鼠皮层中也被上调（图4d，j）。此外，下游酮水解酶机制琥珀酰辅酶A：3-酮酸辅酶A转移酶（SCOT）（图4g），β羟丁酸脱氢酶（BDH1）（图4h）和乙酰辅酶A乙酰转移酶（ACAT1）的表达增加。进一步支持脂肪酸在大脑中的动员和能量生成和ATP生成中酮形成（酮体生成）的上调，这可能补偿了AD中的葡萄糖代谢不足。
图4 AD小鼠皮质中线粒体和过氧化物酶体脂肪酸代谢增加
5. 脂肪酸代谢增加是有益的代偿反应
为了确定在AD小鼠的血浆和脑中观察到的脂质代谢途径的增加是有害还是有益的代谢反应，我们利用了人类H4神经胶质瘤细胞表达野生型（PS1WT）和人AD连锁早老素突变（PS1M146V），和秀丽隐杆线虫菌株表达神经元β淀粉样蛋白或tau蛋白。为了测试脂肪酸在这些系统中的代谢重要性，我们用依托莫司（分别为40 μM/ 100 μM），一种CPT-1抑制剂可抑制线粒体脂肪酸运输并因此抑制β-氧化。我们确定PS1M146V细胞在CPT-1抑制后激活了caspase-3依赖性细胞死亡途径，而表达PS1WT的细胞未显示出对依托莫昔治疗的活性caspase-3的增加（图5a，b）。这些数据表明，在AD中观察到的脂肪酸代谢的增加是适应性代谢转换，以维持细胞存活所必需的足够的能量产生。为了研究在体内代谢转换为脂肪酸氧化的种间保守性，我们利用经依托莫司治疗的秀丽隐杆线虫AD菌株并测定了线虫的生存力。我们发现，表达神经元淀粉样蛋白β（CL2355）或tau（BR5270）的AD菌株在依托莫司治疗后的生存力显着降低（图5d，f），而野生型（N2）和非聚集性神经元tau（BR5271）。线虫的存活不受CPT-1抑制的影响（图5c，e）。这些结果进一步支持了在AD中观察到的增加的脂肪酸代谢是一种补偿性生理适应，以维持足够的细胞能量产生并防止神经变性的概念。受小鼠，线虫和人类细胞培养AD模型中新陈代谢机制的保守以及与AD人体中神经退行性模式的可能相关性的鼓舞，我们试图研究在小鼠的血清和脑组织中是否也存在AD患者相似的代谢变化。
图5 脂肪酸代谢的抑制对AD模型中的细胞和生物存活有害
6. 临床前和临床AD血清中的性别依赖性全身代谢改变
巴尔的摩老龄化纵向研究（BLSA）是一项针对社区居民参与者的前瞻性队列研究，始于1958年。每两年进行一次详细的临床和认知评估，包括实验室评估，放射和神经评估，并且每年对80岁以上的参与者进行评估。BLSA整体研究的一部分包括病例对照人群，其中包括转化者（基线时认知正常的个体，在随访时转化为事件AD；在图中表示为AD）和非转化者（认知正常的个体）在基线时，其在随访时仍保持认知正常；在图中表示为CON，在基线（即临床前AD阶段）和随访（临床AD阶段）具有血清数据。我们测试了在此病例-对照组AD（n = 107，男性n = 48，女性n = 59）和CON（此病例-对照队列）中，在AD小鼠模型中观察到的代谢物变化是否在人血清中也发生了变化。重要的是，在AD小鼠模型中鉴定出的几种代谢物（图3）也以性别特异性方式在AD受试者的血清中发生改变。与CON男性相比，在AD基线（即临床前AD阶段），我们观察到血浆花生四烯酸水平显着降低（p = 0.020），苏氨酸水平较低（p = 0.159）和棕榈油酸水平较高（p = 0.182），油酸没有变化（p = 0.550，图6a）。相反，在AD基线时，与CON女性相比，我们观察到油酸显着降低（p = 0.024），亚麻酸（p = 0.093）和次黄嘌呤（p = 0.093）的含量有降低的趋势，花生四烯酸没有变化（p ＝ 0.524，图6b）。这些结果表明，在无症状的人类中，性别依赖性的全身代谢改变最终表达AD的临床症状。重要的是，当这些结果未按性别分层时，在AD中与CON相比，我们观察到花生四烯酸（p = 0.037）和油酸（p = 0.040）显着降低，并且苏氨酸水平呈降低趋势（p = 0.198） （图6c）表明性别分层分析在AD研究中的重要性。
在转诊者表现出AD临床症状的随访中，我们观察到基线测量值有类似的变化，其中更明显地依赖于酮体代谢。与CON相比，在男性AD中，我们观察到花生四烯酸（p = 0.008），油酸（p = 0.020）显着降低，并且3-OH丁酸酯（p =0.130）和亚油酸（p = 0.084）呈降低趋势（图6d）。与CON相比，女性AD的苏氨酸含量较高（p= 0.002），丙氨酸含量较高（p =0.163）和亚油酸含量较高（p =0.144），而3OH丁酸酯含量较低（0.062）（图6e）。在男性和女性的综合分析中，我们观察到了3OH丁酸酯（p = 0.020），油酸（p = 0.015），花生四烯酸（p = 0.010）和较高的苏氨酸（p = 0.031）明显较低（图6f）。总体而言，这些数据表明脂质和酮体的逐步系统性退化是由于葡萄糖氧化引起的代谢转移而引起的，男性和女性AD受试者之间的代谢差异很大。重要的是要注意，在以前的论文中，仅使用BIOCRATES数据进行了类似的研究，我们报道了区分转化者和非转化者样品的特定氨基酸。然后，我们询问了整个数据集中的哪些代谢物（不限于在AD小鼠中观察到的代谢变化）可用于分离那些仍保持认知正常的个体和那些使用偏最小二乘判别分析（PLS- DA）。趣的是，在前20个结果中，前2个结果是丙酮酸的累积和3OH丁酸在AD和CON受试者中的消耗（图6g）。这些结果表明线粒体氧化磷酸化的最初损伤导致丙酮酸的积累，通过糖酵解产生乙酰辅酶A的末端碳源，以及向酮体代谢的转变，这主要是由主要的酮体3OH-丁酸酯的消耗引起的，在AD中（图6g）。然后，我们通过在转化者和非转化者之间进行代谢物富集（MSE）途径分析，确定了哪些代谢途径被改变。结果表明，最主要的改变途径确实与脂肪酸氧化的增加相一致，包括：支链脂肪酸的氧化，胆汁酸的生物合成，花生四烯酸代谢，赖氨酸的降解，亚精胺和精胺的生物合成，超长链脂肪酸的β-氧化链脂肪酸，中链脂肪酸的线粒体β-氧化和色氨酸代谢（图6h）。在后续时间点的PLS-DA分析表明，在保持认知正常和进展为AD的个体之间，最重要的代谢产物确实是血浆3OH-丁酸酯的耗竭，随后是丙酮酸的积累（图6i），这是一致的。线粒体氧化磷酸化和代谢的进行性恶化重塑脂质代谢。MSE途径分析显示，支链脂肪酸的氧化增加，D-精氨酸和D-鸟氨酸代谢，牛磺酸和次牛磺酸代谢，赖氨酸降解，嘧啶代谢，长链脂肪酸的β-氧化，苏氨酸和2-氧代丁酸酯降解，类固醇生物合成，花生四烯酸代谢，叶酸，嘌呤，缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸降解以及PPP代谢（图6j）。这些改变的途径与在我们的AD小鼠模型中观察到的途径非常相似，并且进一步表明，响应于线粒体功能障碍，从葡萄糖到脂肪酸代谢的逐步性别依赖性全身代谢重塑。
图6 早发型AD患者的性别依赖性血清代谢改变
7. 尸检中性别依赖性代谢改变证实了人类AD脑组织
为了调查在AD小鼠和人类中观察到的系统性代谢变化是否与大脑内相关，我们分析了来自BLSA尸检程序的一部分参与者的颞下回（ITG）的脑组织代谢组学。就痴呆症和临床卒中的发生率而言，BLSA尸检子样本与整个BLSA队列没有显着差异。与我们在血清中的发现相似，我们发现与认知正常（CN；n = 13，男性n = 10，女性n = 3，）相比，AD相似途径中的性别依赖性代谢改变（n = 16，男性n = 8，女性n = 8）以及与神经性斑块（建立阿尔茨海默氏病注册表的协会（CERAD）评分联盟）和神经原纤维缠结（Braak评分）的关联，AD病理学的标志（图7）。
与血清中的发现相似，在患有AD的男性中，与CN相比，而不是在女性中，我们观察到花生四烯酸含量显着降低（p = 0.006），并且富马酸含量呈降低趋势（p = 0.183）（图7a）。我们观察到男性分别具有Braak和CERAD得分的显着相关性：花生四烯酸（p = 0.034，p = 0.005）和富马酸（p = 0.046，p = 0.039）与神经原纤维缠结呈负相关（图7c）。在患有AD的女性中，与CN相比，我们观察到次黄嘌呤（p = 0.041），参与核苷酸抢救的嘌呤衍生物和分解产物显着降低，并增加了核糖5-磷酸（p = 0.041）（图7d），提示 PPP核苷酸合成损伤。重要的是，这些变化在女性中分别与Braak和CERAD得分显着相关：次黄嘌呤（p = 0.048，p = 0.004）和3OH-丁酸酯（p = 0.394，p = 0.025）呈负相关，而核糖5磷酸与神经原纤维缠结呈正相关（图7e，f）。在男性和女性的综合分析中，我们观察到较高的G6P（p <0.001），核糖-5-磷酸（p = 0.006）和2-羟基戊二酸增加的趋势无统计学意义（p = 0.114），花生四烯酸水平较低（p = 0.009），次黄嘌呤（p = 0.018），AD和CN样品之间的3OH丁酸酯降低趋势不明显（p = 0.255）（图7g）。这些代谢物变化分别与Braak和CERAD病理学评分显着相关，如下所示：3OH丁酸酯（p = 0.141，p = 0.04），花生四烯酸（p = 0.14，p = 0.021），核糖5-磷酸（p < 0.001，p = 0.003），次黄嘌呤（p = 0.045，p = 0.003）和2-羟基戊二酸（p = 0.812，p = 0.044）（图7h，i）。值得注意的是，三种代谢物（花生四烯酸，3OH-丁酸和2-羟基戊二酸）与淀粉样蛋白病理学（CERAD）显着相关，但与tau病理学（Braak）无关，表明淀粉样蛋白和tau病理学引起的代谢变化不同。
最引人注目的发现是患有AD的男性和女性的脑组织中G6P显着升高，并进行了综合分析（分别为p = 0.004，p = 0.014，p <0.001）（图7a，d，g）。如前所述，G6P是糖酵解起始和限速酶促步骤的产物，糖酵解是细胞通过己糖激酶（HK）摄取G6P后葡萄糖的磷酸化作用。G6P也是PPP的限速底物，在小鼠血浆（图3e）和人（图6j）血清中的MSE途径分析中都发现了G6P。此外，在男性和女性中，G6P与Braak和CERAD得分显着正相关，并进行了综合分析（Braak：p = 0.001，p = 0.006，p <0.001; CERAD：p <0.001，p = 0.024，p < 分别为0.001）（图7b，c，e，f，h，i）。总体而言，这些观察结果表明，糖酵解和PPP损伤可能涉及G6P代谢损伤以及男性和女性AD受试者大脑中嘌呤生物合成和线粒体能量产生的下游损伤。
图7 AD患者的脑代谢物变化及其与病理评分的相关性
8. 增加[6-磷酸葡萄糖]可降低线粒体己糖激酶
据报道，G6P的积累通过将HK从线粒体电压依赖性阴离子通道（VDAC）上解离，通过对HK酶活性的反馈抑制机制来损害糖酵解。在以前使用BLSA脑解剖数据的论文中，我们报道了脑组织己糖浓度增加以及糖酵解通量降低，即降低HK磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶活性。我们的结果支持了这些先前的发现，表明在患有AD的小鼠和人类中，HK功能障碍和G6P的积累（氧化PPP和糖酵解之间的分支点）可能代表了受AD发病机制影响的关键步骤。由于我们在患有AD的小鼠和人类中观察到了这些途径的惊人相似之处，因此我们试图研究从小鼠海马中分离出的突触线粒体是否改变了HK水平。我们观察到雄性3xβ小鼠和雌性POLβ，3x和3xβ小鼠的突触HK水平显着降低（图7j），这表明G6P的积累可能促进了AD小鼠海马神经元葡萄糖的低代谢。有趣的是，我们还观察到雌性WT小鼠在海马突触体中HK的表达明显较高（图7j），这可能反映了葡萄糖代谢的内在性别差异。
这些独立的观察结果暗示，G6P介导的HK线粒体解离可能导致AD中常见的葡萄糖代谢低下，但我们想知道G6P的积累是否会直接导致HK的线粒体解离。为了验证该假设，我们从人U2OS细胞中分离了线粒体，并与浓度递增的G6P（15.6 μM–500 mM）一起孵育，同时在37 ℃的复杂I底物（丙酮酸5 mM和苹果酸2.5 mM）上呼吸了30分钟。测量仍然与线粒体结合的HK水平。实际上，我们观察到HK从VDAC的剂量依赖性解离，当[G6P]接近毫摩尔浓度时，约50％的HK解离（图7k，1）。这些结果证明，在人类AD受试者的大脑中观察到的G6P积累可能通过HK的线粒体解离导致糖酵解通量受损，进而抑制HK活性。
图8 葡萄糖的低代谢随着年龄的增长而发生，这可能是由于糖酵解中间葡萄糖6磷酸的积累，从而通过将己糖激酶从线粒体VDAC上解离而引起对限速糖酵解酶己糖激酶的反馈抑制
结论
本研究提供了一些新颖的见解，支持需要考虑针对性的新陈代谢改变治疗方法来对抗日益增加的AD发病率。我们确定受损的脑线粒体功能，糖酵解抑制的机制，和自然生理适应机制上调，以补偿在AD中受损的细胞能量产生。这些数据主张将AD预防的重点重新放在早期代谢变化上，并描述生物学性别和DNA修复缺陷在驱动AD神经变性中的关键作用。仔细考虑男性和女性生理之间的内在代谢差异，以这些途径为目标将为使用个性化医学方法预防或延缓AD病情发展有效疗法提供更大的机会。需要大量的进一步的努力来了解AD病因和发病机理的代谢基础。