神经元特异性PGC-1α异构体调节神经元代谢和大脑衰老

摘要

大脑是一个高能量组织，尽管衰老与功能失调的炎症和神经元特异性功能通路有关，但直接与代谢的联系尚未建立。本文显示，线粒体调节因子PGC-1α的异构体由不同脑细胞类型的特定启动子驱动，在衰老过程中受到抑制，并在协调代谢和生长信号中起重要作用。成年、中年和老年雄性小鼠皮层的转录组和蛋白质组谱型揭示了一个与PGC-1α相关的衰老代谢特征。在原代培养中，一个神经元特有的启动子产生功能上占主导地位的PGC-1α异构体。使用生长抑制作为挑战，我们发现PGC-1α独立于启动子受GSK3β调控。在体外观察到的广泛细胞代谢后果在体内得到反映，包括PGC-1α定向程序的激活和衰老途径的抑制。这些数据将PGC-1α置于与大脑衰老直接相关的生长和代谢网络的核心位置。

介绍

线粒体功能障碍已被提出为衰老的一个标志，而线粒体通路的变化是热量限制（CR）的关键特征之一，热量限制可以延长多种物种的寿命。线粒体感知和适应的完整性对于细胞的韧性和功能性至关重要，越来越多的证据表明线粒体在与年龄相关的疾病中发挥作用，包括癌症、心血管疾病和神经退行性疾病。泛素表达的转录共激活因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（PGC-1α）被描述为线粒体功能的主要调节因子。PGC-1α在整合和响应各种信号方面至关重要，确保细胞代谢反应符合当前条件。在培养细胞中，适度过表达PGC-1α不仅导致线粒体激活，还扩展到线粒体外过程，如氧化还原和脂质稳态、染色质维持、细胞周期、生长和结构重塑。未能维持大脑能量平衡已与神经退行性疾病相关联，但能量平衡调节的细胞类型特异性细节和PGC-1α的确切作用尚未定义。

PGC-1α蛋白的活性由许多上游调节因子、翻译后修饰以及细胞类型和上下文特异性结合伙伴精细调节。_Ppargc-1a_基因的不同启动子区域衍生出多个PGC-1α异构体。这些启动子在响应不同的生理刺激时被激活，由此产生的蛋白质异构体似乎具有共同和异构体特异性的基因靶点。例如，在骨骼肌中，由替代启动子表达的PGC-1α转录变体选择性地由阻力运动诱导，而规范启动子则由耐力运动激活。这些启动子活性差异也延伸到组织特异性PGC-1α异构体表达的差异，如骨骼肌、白色脂肪组织和肝脏显示出独特的PGC-1α异构体丰度谱型。在中枢神经系统中，位于规范转录起始位点上游500 kb以上的第三个启动子活跃，并且已显示对缺氧有反应。目前尚不清楚来自脑特异性启动子的PGC-1α异构体与来自规范和替代启动子的异构体在功能上有多大的冗余性，它们是如何被调控的，以及它们在不同脑细胞类型中的相对丰度有何不同。

虽然在原代细胞中未得到验证，但我们之前报道了糖原合酶激酶3β（GSK3β）通过PGC-1α调节胶质瘤细胞（H4）和嗜铬细胞瘤分化神经元（PC12）中的线粒体能量代谢。GSK3β抑制增加了线粒体呼吸和膜电位，并改变了NAD(P)H代谢，这些变化与Ppargc1a规范和替代启动子的激活有关。我们之前在小鼠中的研究表明，衰老以区域和细胞类型特异性的方式影响海马体中的线粒体和氧化还原代谢，这与较低的PGC-1α蛋白水平有关。GSK3β和PGC-1α在小鼠和猴子的海马体中表现出相同的表达模式，它们的相对丰度反映了线粒体活动的水平。本文确定了衰老对代谢和PGC-1α的影响。我们研究了PGC-1α在原代神经元和星形胶质细胞中的作用，并确定了GSK3β如何调节由三个不同启动子驱动的PGC-1α表达的程度。我们定义了GSK3β抑制对神经元代谢和生长指标的影响，并验证了这些效应在体内的保守性。总之，这些结果表明PGC-1α在大脑衰老中起作用，而PGC-1α异构体表达的差异和GSK3β敏感性的差异允许在脑内驻留细胞类型之间对代谢进行不同的调节。

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