Sox9通过调控己糖激酶1介导的组蛋白乳酸化控制神经病理性疼痛中星形胶质细胞亚型的新机制

《Nature Communications》：Sox9 regulation of hexokinase 1 controls neuroinflammatory astrocyte subtypes in a rat model of neuropathic pain

本研究针对神经病理性疼痛(NeP)缺乏有效治疗方案的临床难题，揭示了脊髓背角星形胶质细胞异质性在疼痛慢性化中的关键作用。研究人员通过多组学分析发现，转录因子Sox9磷酸化(p-Sox9)异常激活己糖激酶1(Hk1)，驱动星形胶质细胞糖酵解亢进，产生的过量乳酸通过组蛋白H3K9乳酸化(H3K9la)表观遗传调控促炎基因表达，特异性诱导神经炎症性星形胶质细胞亚群(Astro1)扩增，最终导致NeP。靶向干预Sox9-Hk1-H3K9la轴可选择性消除致病性星形胶质细胞，为NeP治疗提供了新靶点。

　　

全球约7-10%的人口深受神经病理性疼痛(Neuropathic Pain, NeP)的困扰，这种由神经损伤引起的慢性疼痛疾病，目前缺乏有效的治疗方法。患者长期遭受异常性疼痛和痛觉过敏的折磨，而现有药物往往伴随耐药性和成瘾性问题。在疼痛信号传递的关键枢纽——脊髓背角，星形胶质细胞扮演着双重角色：既是神经系统的重要支持细胞，又在神经损伤后转化为促进神经炎症的“帮凶”。然而，由于星形胶质细胞的异质性和其在正常状态下的保护功能，直接靶向这些细胞进行治疗面临巨大挑战。更关键的是，科学家们对疼痛发展中特定有害星形胶质细胞亚群的出现机制知之甚少。

针对这一科学难题，香港大学李嘉诚医学院麻醉学系陈永龙、香港城市大学生物医学系刘爱佳等研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。研究人员通过多维度的实验方法，揭示了Sox9-Hk1-H3K9la信号轴在控制神经炎症性星形胶质细胞亚群出现中的核心作用，为神经病理性疼痛的治疗提供了新的理论依据和治疗策略。

研究团队首先利用坐骨神经分支选择性损伤(Spared Nerve Injury, SNI)大鼠模型，确认了神经损伤后脊髓背角星形胶质细胞的反应性变化。通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术，他们在慢性疼痛期识别出5个不同的星形胶质细胞亚群(Astro1-5)。其中Astro1亚群在神经损伤后显著扩增，高表达促炎和神经毒性基因，而具有稳态维持和炎症消退功能的Astro3亚群则明显减少。这一发现首次系统描绘了疼痛状态下脊髓星形胶质细胞的异质性图谱。

深入机制探索发现，致病性星形胶质细胞亚群呈现显著的糖酵解活化特征。特别是催化糖酵解第一步限速反应的己糖激酶1(Hexokinase 1, Hk1)，在Astro1亚群中异常高表达。神经损伤诱导星形胶质细胞特化因子Sox9在第181位点发生磷酸化(p-Sox9)，增强其核转位和转录活性，进而直接结合Hk1启动子区域，驱动Hk1的高表达和酶活性。异常活化的Hk1导致星形胶质细胞糖酵解通量显著增加，乳酸生成大幅上升。

这些过量产生的乳酸不仅作为能量代谢产物，更作为一种表观遗传调控分子，通过组蛋白乳酸化修饰影响基因表达。研究团队发现，H3K9乳酸化(H3K9la)是p-Sox9-Hk1轴调控的主要组蛋白修饰方式。通过CUT&Tag技术在全基因组范围内分析H3K9la的分布，发现其在促炎和神经毒性基因启动子区域显著富集，直接激活了这些基因的转录，从而诱导星形胶质细胞获得致病特性。

在功能验证方面，研究团队通过星形胶质细胞特异性敲低Hk1或Sox9，有效逆转了神经损伤引起的星形胶质细胞反应性变化，减少了致病性Astro1亚群的比例，同时促进了有益Astro3亚群的恢复，显著缓解了疼痛行为。相反，在正常大鼠中过表达磷酸化Sox9(Sox9S181D)或Hk1，足以诱导星形胶质细胞产生神经炎症表型，并引发疼痛样行为。重要的是，当同时过表达Sox9S181D并敲低Hk1时，无法诱导疼痛反应，证实了Hk1在p-Sox9下游的关键作用。

研究采用的关键技术方法包括：坐骨神经分支选择性损伤(SNI)大鼠神经病理性疼痛模型、星形胶质细胞特异性腺相关病毒(AAV)介导的基因操作、单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析、染色质免疫沉淀测序(CUT&Tag)、靶向代谢组学、在体钙成像等。实验样本来源于斯普拉格-达利(Sprague-Dawley)大鼠脊髓背角组织。

ScRNA-seq分析揭示神经病理性疼痛中脊髓背角星形胶质细胞的异质性

通过scRNA-seq技术，研究团队在SNI模型慢性期(14天)鉴定了5个星形胶质细胞亚群。Astro1高表达促炎因子和神经毒性基因，在疼痛发展中显著扩增；Astro2与神经退行性变相关；Astro3富含稳态维持基因，在损伤后减少；Astro4和Astro5为过渡亚群。这一发现揭示了星形胶质细胞在疼痛中的复杂功能多样性。

致病性星形胶质细胞状态与异常糖酵解活化高度相关

KEGG分析显示神经炎症性星形胶质细胞亚群共同富集糖酵解通路。Astro1和Astro5显著高表达葡萄糖转运体Slc2a1和Hk1。实验证实SNI组星形胶质细胞Hk1酶活性和乳酸产量明显升高，且糖酵解基因与促炎因子表达呈正相关，表明异常糖酵解与致病性星形胶质细胞特性密切相关。

Hk1驱动星形胶质细胞致病性集群出现促进NeP进展

星形胶质细胞特异性敲低Hk1可减轻细胞反应性，降低糖酵解通量和促炎基因表达，缓解疼痛行为。而过表达Hk1则诱导反应性星形胶质细胞和疼痛表现。scRNA-seq进一步证实Hk1调控特异性影响Astro1和Astro3亚群的比例，表明Hk1活性特异性控制神经炎症性星形胶质细胞亚群的出现。

Sox9转录控制Hk1活性决定疼痛反应

神经损伤诱导Sox9磷酸化(p-Sox9)，而不影响总Sox9蛋白水平。p-Sox9在星形胶质细胞核内富集，与Hk1启动子结合能力增强。构成性激活磷酸化Sox9(Sox9S181D)可强烈诱导Hk1表达和疼痛行为，而非磷酸化突变体(Sox9S181A)无此效应。表明p-Sox9通过转录调控Hk1参与疼痛 pathogenesis。

p-Sox9诱导的Hk1催化活性驱动组蛋白乳酸化调控神经炎症性星形胶质细胞特性

SNI诱导组蛋白乳酸化水平升高，特别是H3K9la在星形胶质细胞中显著增加。CUT&Tag分析显示H3K9la在促炎和神经毒性基因启动子区域富集。ChIP-qPCR证实H3K9la在Gfap、C3、Cfb等基因启动子的富集依赖于p-Sox9-Hk1轴。表明乳酸化修饰是连接代谢异常与基因表达调控的关键环节。

本研究系统阐明了神经病理性疼痛中星形胶质细胞异质性的代谢表观遗传调控机制。磷酸化Sox9通过转录激活Hk1，驱动星形胶质细胞糖酵解亢进，产生的乳酸通过H3K9la表观遗传修饰特异性诱导神经炎症性星形胶质细胞亚群的出现，最终导致疼痛慢性化。这一Sox9-Hk1-H3K9la轴的发现，不仅揭示了疼痛发病的新机制，更重要的是提供了特异性靶向致病性星形胶质细胞亚群的治疗策略，避免了对星形胶质细胞整体功能的干扰，为神经病理性疼痛的精准治疗开辟了新的途径。

该研究的创新性在于首次将代谢重编程、表观遗传调控和细胞异质性三个重要概念有机整合，揭示了它们在慢性疼痛中的内在联系。同时，研究提出的靶向干预策略具有很好的转化潜力，为未来开发针对特定星形胶质细胞亚群的疼痛治疗药物提供了理论依据和实验支持。这些发现也可能为其他神经系统疾病中星形胶质细胞异质性的研究提供新的思路。