糖酵解来源的丝氨酸代谢受损是衰老相关足细胞损伤的关键驱动因素

《Nature Communications》：Impaired glycolysis-derived serine metabolism as a key driver of podocyte injury with senescence

本研究聚焦慢性肾脏病(CKD)中足细胞衰老的关键难题，揭示了血管紧张素II(Ang II)通过转录因子FOXA1下调磷酸甘油酸激酶1(PGK1)，导致L-丝氨酸合成减少、线粒体功能障碍和细胞衰老的新机制。研究发现补充L-丝氨酸或增强PGK1表达可激活PI3K/AKT通路，减少脱氧鞘脂积累，显著改善足细胞损伤。该成果为通过靶向PGK1-丝氨酸轴延缓CKD进展提供了新策略。

　　

在肾脏的微观世界里，足细胞如同精巧的支架，支撑着肾小球的滤过屏障。这些高度分化的细胞一旦受损，就会引发蛋白质泄漏，最终导致慢性肾脏病(CKD)的进展。其中，血管紧张素II(Ang II)作为肾素-血管紧张素系统(RAS)的核心成员，早已被证实是加速肾损伤的“罪魁祸首”。然而，科学家们一直困惑的是，Ang II究竟通过怎样的精细机制，促使足细胞迈入衰老的深渊？以往的研究多聚焦于能量代谢紊乱，尤其是糖酵解的抑制，但仅仅恢复部分糖酵解通路并不能完全逆转损伤，暗示着背后还隐藏着更深的代谢秘密。

近期，发表在《Nature Communications》上的一项研究揭开了这层神秘面纱。武汉大学人民医院丁国华教授团队发现，糖酵解通路中的一个关键酶——磷酸甘油酸激酶1(PGK1)，其功能失调导致的L-丝氨酸合成不足，竟是驱动足细胞衰老的核心环节。这条名为“PGK1-丝氨酸-脱氧鞘脂”的代谢轴，为理解肾脏衰老提供了全新视角，也为干预CKD带来了希望。

研究人员综合运用了多种关键技术方法开展此项研究。这包括：利用Ang II诱导的高血压肾病(HN)小鼠模型、db/db 2型糖尿病肾病(DKD)小鼠模型和阿霉素(ADR)诱导的肾病小鼠模型进行在体功能验证；通过人肾活检组织（来源注明：武汉大学人民医院伦理委员会批准，包括健康对照和HN患者样本）进行免疫组化、免疫荧光和临床相关性分析；采用体外培养的永生化人足细胞(HPC)、小鼠足细胞(MPC-5)及原代足细胞模型进行机制探索；运用CRISPR/Cas9技术构建PGK1^+/-基因敲低细胞系，并通过腺相关病毒(AAV)介导的基因操作实现足细胞特异性PGK1过表达(PGK1^podKI)和敲除(PGK1^podKO)小鼠模型；通过代谢组学（包括非靶向代谢组学、氨基酸代谢组学和脂质组学）和转录组学(RNA-seq)进行全局性分子图谱分析；采用海马能量代谢分析系统检测细胞耗氧率(OCR)和细胞外酸化率(ECAR)；利用表面等离子共振(SPR)、细胞热位移分析(CETSA)、药物亲和反应靶点稳定性(DARTS)和分子对接等技术验证蛋白质-小分子直接相互作用；通过免疫共沉淀(Co-IP)和邻近连接技术(PLA)验证蛋白质-蛋白质相互作用。

Ang II诱导丝氨酸缺乏、足细胞损伤和细胞衰老

研究人员首先确认Ang II会破坏足细胞的糖酵解过程，并发现多种损伤刺激（高糖、Ang II、ADR）均导致足细胞内的丝氨酸水平显著下降。补充丝氨酸能有效改善线粒体形态和功能（如膜电位、ATP产量），减轻细胞骨架紊乱和脂质积聚，并显著降低衰老相关β-半乳糖苷酶(β-Gal)活性及衰老相关分泌表型(SASP)因子IL-1β和IL-6的分泌。这表明丝氨酸缺乏是Ang II诱导足细胞衰老的关键因素。

丝氨酸通过PI3K/AKT通路调控足细胞中脱氧鞘脂的产生

在机制探索中，研究发现丝氨酸缺乏会显著改变足细胞的整体代谢谱，其中脂质代谢，尤其是鞘脂生物合成通路变化最为显著。具体表现为毒性脱氧鞘脂（如1-脱氧鞘氨醇(DeoxySA)、脱氧二氢神经酰胺(DeoxyDHCer)和脱氧神经酰胺(DeoxyCer)）的积聚。这些脱氧鞘脂会以剂量依赖的方式加剧细胞骨架紊乱和细胞衰老。进一步的机制研究表明，丝氨酸能直接与PI3K的Thr462位点结合并增强其激酶活性，从而激活PI3K/AKT信号通路。使用PI3K激动剂740Y-P可以模拟丝氨酸的保护作用，缓解脱氧鞘脂积聚和细胞衰老。

PGK1表达在Ang II诱导的足细胞损伤中下调

丝氨酸的从头合成依赖于糖酵解中间产物3-磷酸甘油酸(3-PG)，而PGK1正是催化1,3-二磷酸甘油酸(1,3-BPG)生成3-PG的关键酶。研究发现，在HN患者肾组织及Ang II处理的足细胞中，PGK1的mRNA和蛋白水平均显著下调。临床数据分析显示，较低的PGK1表达与更严重的蛋白尿、更高的尿白蛋白/肌酐比值(ACR)、更低的估算肾小球滤过率(eGFR)和更差的预后相关。

PGK1调控足细胞中的PI3K/AKT通路并与脱氧鞘脂积聚和细胞衰老相关

利用稳定同位素¹³C₆-D-葡萄糖标记技术，研究证实敲低PGK1确实会减少丝氨酸的合成，并影响三羧酸(TCA)循环。PGK1敲低还导致线粒体功能受损、细胞骨架紊乱、衰老标志物（p21, 8-OHdG）表达上调，并引起代谢组和转录组的显著改变，其中鞘脂代谢和PI3K/AKT通路富集程度最高。而过表达PGK1则能逆转上述病理变化。

PGK1稳定KRT1

除了酶活性功能，研究还发现PGK1具有非酶功能。通过蛋白质组学分析，发现PGK1与细胞角蛋白II型骨架1(KRT1)存在相互作用。实验证实PGK1并不影响KRT1的mRNA表达，但能通过与KRT1蛋白结合，延缓其被蛋白酶体降解，从而起到稳定KRT1、维持细胞骨架完整性的作用。功能域突变实验进一步揭示，PGK1通过其K131和T168位点发挥酶活性调控丝氨酸代谢，而其200-360氨基酸区域则负责与KRT1结合，后者以不依赖酶活性的方式参与调控细胞衰老。

足细胞特异性过表达PGK1可减轻Ang II诱导的小鼠模型中的足细胞衰老

为了在体验证PGK1的功能，研究者构建了足细胞特异性过表达PGK1的小鼠(PGK1^podKI)。在Ang II刺激下，PGK1^podKI小鼠表现出更轻的肾功能损伤（较低的ACR、BUN、Cr）、更完整的足细胞结构（WT1, SYNPO染色）、改善的线粒体呼吸功能，以及显著减轻的衰老标志物表达和脱氧鞘脂积聚。通过AAV在成年小鼠肾脏原位过表达PGK1也能取得类似保护效果。

足细胞特异性敲除PGK1加剧Ang II诱导的小鼠模型中的足细胞衰老

相反，足细胞特异性敲除PGK1的小鼠(PGK1^podKO)在Ang II刺激下，肾脏损伤和足细胞衰老表型均显著加剧。使用PGK1特异性抑制剂Z57346765处理正常小鼠，也能重现Ang II加重足细胞衰老的效果，进一步证实了PGK1的关键保护作用。

FOXA1调控PGK1转录并在Ang II诱导的足细胞衰老中起保护作用

上游机制探索发现，转录因子FOXA1能直接结合到PGK1基因的启动子区域并促进其转录。在HN患者和Ang II处理的小鼠足细胞中，FOXA1的表达同样下调。在足细胞中过表达FOXA1能部分依赖PGK1，缓解Ang II诱导的PI3K/AKT通路抑制、足细胞衰老和肾小球病理损伤。

补充丝氨酸可减轻Ang II诱导的小鼠模型中的足细胞衰老

最后，研究验证了补充L-丝氨酸的治疗潜力。在Ang II诱导的CKD小鼠模型中，口服补充丝氨酸能有效恢复肾脏功能，改善肾小球结构和足细胞超微结构，增强线粒体功能，激活PI3K/AKT通路，并降低衰老标志物和脱氧鞘脂水平。更重要的是，在db/db DKD小鼠和ADR肾病模型这两种非Ang II诱导的CKD模型中，丝氨酸补充同样显示出保护作用，提示其治疗策略具有广谱潜力。

综上所述，本研究系统阐明了一条全新的信号轴：Ang II通过抑制转录因子FOXA1，下调足细胞中PGK1的表达，导致糖酵解来源的L-丝氨酸合成减少。丝氨酸缺乏一方面无法通过激活PI3K/AKT通路来抑制毒性脱氧鞘脂的生成，另一方面PGK1减少也削弱了其稳定KRT1以维持细胞骨架的能力，共同推动了足细胞的衰老进程。这项研究不仅深化了对足细胞损伤机制的理解，更重要的是将PGK1和丝氨酸代谢推向了CKD治疗干预的潜在靶点位置。通过补充丝氨酸或靶向增强PGK1活性来重塑足细胞代谢稳态，有望为延缓肾脏衰老、遏制CKD进展开辟新的治疗途径。