脂肪酸の酸化によりミトコンドリア超複合体が組織化され、アストロサイトのROSと認知が維持される

Nature Metabolism (2023)この記事を引用

6562 アクセス

1 引用

112 オルトメトリック

メトリクスの詳細

アストロサイトは、脳血管構造に直接アクセスできるため、利用可能な血液栄養素を取り込んで代謝して、自身のエネルギー需要を満たし、代謝中間体を局所シナプスに届けることができます1、2。 したがって、これらのグリア細胞は、異なる基質を交換するために代謝的に適応できる必要があります。 しかし、in vitro および in vivo 研究では、アストロサイトが主に解糖作用があることが一貫して示されており、グルコースがそれらの主な代謝前駆体であることが示唆されています。 特に、トランスクリプトームデータ8,9およびインビトロ研究10は、マウスアストロサイトがミトコンドリア的に脂肪酸を酸化する能力があり、疾患モデルにおいて過剰な神経由来脂肪酸を解毒できることを明らかにしている11,12。 それでも、アストロサイトによる脂肪酸使用の実際の代謝上の利点と、高次脳機能に対するその生理学的影響は不明のままである。 今回我々は、成体マウスのアストロサイトにおけるミトコンドリア脂肪酸酸化の重要な酵素であるカルニチンパルミトイルトランスフェラーゼ1A（CPT1A）のノックアウトが認知障害を引き起こすことを示す。 機構的には、脂肪酸酸化の減少により星状細胞のピルビン酸代謝が再配線され、超集合ミトコンドリア呼吸鎖を通る電子束が促進され、その結果活性酸素種の形成が減弱した。 したがって、アストロサイトは自然に脂肪酸を代謝して、ミトコンドリア呼吸鎖をエネルギー的に非効率な分解された構造に保存し、シグナル伝達活性酸素種を確保し、認知能力を維持します。

星状膠細胞およびニューロンで使用される脂肪酸をコードする遺伝子の発現レベルを確認するために、逆転写（RT-qPCR）分析を伴う定量的PCRを実行したところ、カルニチン-パルミトイルトランスフェラーゼ-1A（Cpt1a）におけるメッセンジャーRNA量の増加が明らかになった。ミトコンドリアへの長鎖アシルCoAの侵入13、およびニューロンと比較した場合のマウス初代アストロサイトにおけるCPT1A阻害剤マロニルCoA14-mRNAの生合成に関与するアセチルCoAカルボキシラーゼ-1（Acc1）の減少（補足図1a） 。 さらに、骨格筋や心臓などの酸化組織に非常に豊富に見られるミトコンドリア Acc2 アイソフォーム 15、ミトコンドリア脂肪酸酸化の初期段階を触媒する長鎖アセチル CoA デヒドロゲナーゼ (Acadl) の mRNA 量は、小胞体に位置する Cpt1c と、ミトコンドリアの長鎖脂肪酸からミトコンドリア呼吸複合体 I (CI) および III (CIII) への電子伝達に機能的に関与するミトコンドリア三機能性タンパク質 α (Mtpα) の Cpt1c が、アストロサイト対ニューロン（補足図1a）。 これらは相対値ではありますが、アストロ サイトがミトコンドリア的に長鎖脂肪酸を酸化する能力をニューロンよりも備えていることを示唆する以前の観察 8、9、10 と一致しています。 この主張を機能的に裏付けるために、CPT1の強力かつ不可逆的な阻害剤であるエトモキシルの非存在下または存在下で、グルコースベースの培地中でSeahorse技術を使用して、アストロサイトとニューロンの酸素消費速度（OCR）を分析しました（参考文献17）。 補足図1bに示すように、ミトコンドリアの基礎呼吸はアストロサイトと比較してニューロンで約1.7倍高いことが判明し、以前の所見が確認されました18。 特に、エトモキシルによるミトコンドリアOCR阻害の割合はニューロンでは約20％、アストロサイトでは約35％であり（補足図1b）、脂肪酸がニューロンよりもアストロサイトにとって好ましいミトコンドリア呼吸基質であることを示しています。 星状膠細胞のATP関連ミトコンドリア呼吸の約62％は脂肪酸によって維持されました（補足図1b）。

インビボでのアストロサイトにおけるミトコンドリア脂肪酸酸化の代謝上の利点を調査するため、さもなければ薬理学的阻害剤の潜在的な欠点を克服するために、我々はアストロサイト特異的Cpt1aノックアウト（KO）マウスモデルを遺伝子操作した。 そのために、生後 2 か月の Cpt1alox/lox マウス 19 に、星状細胞特異的なグリア線維性酸性タンパク質によって支配される Cre リコンビナーゼを発現する PHP.eB 血清型アデノ随伴ウイルス (AAV) 粒子を、眼窩後洞 20 を介して静脈内注射しました。タンパク質（GFAP）ショートプロモーター（PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP）（図1a）。 脳全体の緑色蛍光タンパク質（GFP）の広範な発現によって判断されるように、この治療は効果的でした（補足図1c）。 対照（野生型、WT）は、Creリコンビナーゼを欠いていることを除き、同じウイルス粒子を等量投与したCpt1alox/loxマウスであり、すべてのマウスを1〜9か月後に分析しました（図1a）。 図1b（補足図1d）に示すように、PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP処理は、脳CPT1Aタンパク質量の大幅な減少を引き起こしました。 脳にはアストロサイト以外の他の細胞型が含まれていることを考慮して、成体CPT1A KOマウスの脳から免疫磁気的に単離したex vivoアストロサイトのCPT1A存在量も分析しました（図1a）。これにより、特にアストロサイト陽性（ACSA+）でCPT1Aが消失していることが明らかになりました。ただし、星状細胞陰性（ACSA-）画分には含まれていません（図1c）。 CPT1A KOの機能的有効性を確認するために、成体マウスから生体外で新たに単離した脳切片を[U-14C]パルミチン酸とともにインキュベートし、脂肪酸酸化フラックスの指標として14CO2生成速度を評価した。 図1dに示すように、脳内の酸化フラックスは、WTマウスと比較した場合、CPT1A KOでは約75％大幅に減少しました。 星状膠細胞のCPT1Aの喪失が脳代謝の他の経路を変化させるかどうかを説明するために、我々は脳サンプルで非標的メタボロミクスを実施した。 火山プロット（補足図1e）およびヒートマップ（補足図1f）に示されているように、アストロサイト特異的CPT1A KOマウスの脳では17の代謝物が大幅に減少し、43の代謝物が大幅に増加していることがわかりました。 その結果、長鎖脂肪酸および長鎖アシルカルニチン誘導体の存在量が増加し、短鎖脂肪酸の存在量が減少したことが明らかになり（図1e）、長鎖脂肪酸の使用量が減少し、短鎖脂肪酸の使用量が増加したことを示唆しています。 注目すべきことに、アストロサイト特異的CPT1A KOマウスの脳ではピルビン酸濃度が約26％大幅に減少し（図1e）、この解糖系最終生成物中間体の代謝の変化を示唆している。