《细胞·代谢》：AD的幕后黑手，会是和癌细胞学的这招吗？

阿尔茨海默病（AD）是最常见的神经系统退行性疾病，以脑内β淀粉样蛋白（Aβ）异常沉积和进行性神经元死亡为主要特征。

随着组学技术的应用，研究人员逐渐发现，AD患者大脑中神经元存在明显的代谢异常[1]，其脑脊液中升高的乳酸脱氢酶A（LDHA）和丙酮酸激酶M（PKM）可作为AD的生物标志物[2,3]。然而，AD患者神经元代谢改变的原因及其造成的影响目前仍不清楚。

近日，来自奥地利因斯布鲁克大学的Jerome Mertens教授及Larissa Traxler教授领衔的团队通过对AD患者来源的成纤维细胞直接转化诱导神经元（iNs）的研究，发现AD患者的iNs中PKM向与肿瘤相关的亚型PKM2转变，从而偏向于有氧糖酵解供能（一种肿瘤经常采用的代谢方式，即Warburg效应）。

PKM2核异位后，促进受转录因子STAT3和HIF1α调控基因的表达，导致神经元凋亡。此外，PKM2的这一作用可被PKM2调节剂紫草素所抑制，表明PKM2可作为AD治疗的靶点，相关研究发表于《细胞·代谢》杂志[4]。

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在先前的研究中，Jerome Mertens教授就曾发现，AD患者来源的iNs（通过对成纤维细胞过表达Ascl1和Ngn2生成，保留了AD患者神经元特征[5,6]）处于低成熟状态，类似于肿瘤的低分化[7]。

为了更深入地了解造成AD患者神经元低成熟状态的原因，研究人员将从11位AD患者和匹配的11位非痴呆对照人群活检取得的成纤维细胞转化为iNs，并进行RNA测序。经过21天的转化后，大多数成纤维细胞都转变为神经元的形态（形成突触样结构），然后从中筛选出神经元表面标志物PSA-NCAM阳性的细胞。

AD患者和对照人群iNs的RNA测序结果表明，AD患者iNs表现出明显的代谢异常，而与其最相关的基因就是PKM。PKM不仅是糖酵解过程中的主要限速酶之一，而且可通过磷酸化和乙酰化参与细胞状态表观遗传调控[8]。因此PKM很有可能就是造成AD患者iNs代谢异常的原因。

进一步的研究发现，AD患者和对照人群iNs中PKM的mRNA水平并没有明显差异，然而AD患者中的PKM更多的是来源于包含基因10号外显子的PKM2亚型，而不是包含基因9号外显子的PKM1亚型（PKM2/PKM1=4.7）。相比于PKM1，PKM2作为代谢酶的功能残缺，导致糖酵解代谢产物的积聚和乳酸的增加。这种由PKM驱动的代谢改变是造成Warburg效应的重要原因，且在肿瘤中很常见[9]。

为了更详细地了解PKM在AD患者iNs中导致的代谢重编程，研究人员对AD患者和对照人群的iNs进行了超高效液相色谱-质谱（UHPLC-MS）代谢组学分析。研究结果表明，AD患者和对照人群的iNs具有显著不同的代谢特征，而区别两者的关键就在于糖酵解相关通路。AD患者的iNs具有明显的Warburg样代谢特征，如乳酸、葡萄糖-6-磷酸、磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）的升高。

此外，AD患者iNs线粒体的功能并没有障碍，细胞的三羧酸循环、氧化磷酸化过程及ATP/ADP比例均无异常。这些结果表明，造成AD患者iNs代谢异常的原因就是PKM2的异常增多。

PKM2除了代谢酶的功能残缺外，还更容易异位到核内。PKM2进入到核内具有蛋白激酶功能，可激活促肿瘤的转录因子HIF1α、STAT3和β-catenin的功能。经实验证实，AD患者iNs中PKM2第37位丝氨酸磷酸化增加，从而核异位增加。

PKM2进入核内后，进一步使组蛋白3第11位苏氨酸磷酸化，导致受转录因子HIF1α、STAT3调控的基因表达增加，这些表达升高的基因具有参与代谢、导致凋亡的功能。

上文提到，AD患者晚期时脑内神经元大量死亡，而成熟的神经元一般是不会发生凋亡的。AD患者iNs中PKM2的增加是否会导致神经元容易死亡呢？

答案是完全有可能！首先，多个研究表明，低成熟状态的神经元在诱导为糖酵解状态时更容易发生凋亡[10]；其次，AD患者iNs更容易受到Bcl-2抑制剂ABT-737的影响而发生凋亡。同样在0.3 μM ABT-737的干预下，AD患者iNs发生凋亡的比例相较于对照人群的iNs升高了3-5倍；同时，将对照人群的iNs置于缺氧环境或使其过表达PKM2后，原本对ABT-737不敏感的iNs也变得更容易诱导凋亡。

这些结果都表明，PKM2的增加导致的代谢异常使得AD患者iNs更容易发生凋亡。

最后，研究人员检测了PKM2的抑制剂紫草素（一种可使PKM2变为四聚体的调节剂，可阻止PKM2入核）能否逆转PKM2导致的代谢异常和增加的凋亡敏感性。在10 μM的浓度下，紫草素就可使AD患者iNs内PKM2核异位减少以及组蛋白3磷酸化降低。

此外，经紫草素处理的AD患者iNs的Warburg样代谢得以缓解，抗凋亡能力增强，对ABT-737诱导凋亡的抵抗能力明显增强，表明PKM2作为AD治疗靶点的潜在价值。

总的来说，本研究利用AD患者和对照人群的iNs，发现了AD患者iNs存在明显的Warburg样代谢，而造成这一现象的原因在于PKM2表达的增加。PKM2可通过核异位发挥表观遗传调控功能，使得受转录因子STAT3和HIF1α调控的基因表达增加，变得容易凋亡。

破解导致AD患者神经元低成熟状态的机制是十分有意义的，因为该状态很可能代表与AD相关的神经元早期表型，在这一时期进行干预有可能会起到不错的效果。

参考文献：

1. Johnson ECB, Dammer EB, Duong DM, Ping L, Zhou M, Yin L, Higginbotham LA, Guajardo A, White B, Troncoso JC et al: Large-scale proteomic analysis of Alzheimer's disease brain and cerebrospinal fluid reveals early changes in energy metabolism associated with microglia and astrocyte activation. Nat Med 2020, 26(5):769-780.

2. Higginbotham L, Ping L, Dammer EB, Duong DM, Zhou M, Gearing M, Hurst C, Glass JD, Factor SA, Johnson ECB et al: Integrated proteomics reveals brain-based cerebrospinal fluid biomarkers in asymptomatic and symptomatic Alzheimer's disease. Sci Adv 2020, 6(43).

3. Sathe G, Na CH, Renuse S, Madugundu AK, Albert M, Moghekar A, Pandey A: Quantitative Proteomic Profiling of Cerebrospinal Fluid to Identify Candidate Biomarkers for Alzheimer's Disease. Proteomics Clin Appl 2019, 13(4):e1800105.

4. Traxler L, Herdy JR, Stefanoni D, Eichhorner S, Pelucchi S, Szucs A, Santagostino A, Kim Y, Agarwal RK, Schlachetzki JCM et al: Warburg-like metabolic transformation underlies neuronal degeneration in sporadic Alzheimer's disease. Cell Metab 2022.

5. Huh CJ, Zhang B, Victor MB, Dahiya S, Batista LF, Horvath S, Yoo AS: Maintenance of age in human neurons generated by microRNA-based neuronal conversion of fibroblasts. Elife 2016, 5.

6. Mertens J, Paquola ACM, Ku M, Hatch E, Bohnke L, Ladjevardi S, McGrath S, Campbell B, Lee H, Herdy JR et al: Directly Reprogrammed Human Neurons Retain Aging-Associated Transcriptomic Signatures and Reveal Age-Related Nucleocytoplasmic Defects. Cell Stem Cell 2015, 17(6):705-718.

7. Mertens J, Herdy JR, Traxler L, Schafer ST, Schlachetzki JCM, Bohnke L, Reid DA, Lee H, Zangwill D, Fernandes DP et al: Age-dependent instability of mature neuronal fate in induced neurons from Alzheimer's patients. Cell Stem Cell 2021, 28(9):1533-1548 e1536.

8. Alves-Filho JC, Palsson-McDermott EM: Pyruvate Kinase M2: A Potential Target for Regulating Inflammation. Front Immunol 2016, 7:145.

9. Puckett DL, Alquraishi M, Chowanadisai W, Bettaieb A: The Role of PKM2 in Metabolic Reprogramming: Insights into the Regulatory Roles of Non-Coding RNAs. Int J Mol Sci 2021, 22(3).

10. Benn SC, Woolf CJ: Adult neuron survival strategies--slamming on the brakes. Nat Rev Neurosci 2004, 5(9):686-700.