FOXQ1通过调控钙信号与嵴形态协调脑内皮细胞线粒体功能：挑战内皮细胞糖酵解代谢范式的新发现

本研究揭示了转录因子FOXQ1作为脑内皮细胞（ECs）线粒体功能的核心调控者，通过双重机制协调血脑屏障（BBB）的能量代谢：一方面通过HAP1介导的内质网-线粒体钙信号（ER-mitochondrial Ca2+ transfer）增强氧化磷酸化（OXPHOS），另一方面通过ADCK1调控线粒体嵴形态（cristae organization）。该研究颠覆了内皮细胞主要依赖糖酵解的传统认知，为脑血管代谢特异性提供了新机制，对理解神经血管疾病（如阿尔茨海默病）的血管功能障碍具有重要启示。

　　

Abstract

血脑屏障（BBB）通过脑内皮细胞（ECs）的特化功能维持大脑稳态。传统观点认为ECs主要依赖糖酵解供能，但本研究通过比较转录组分析发现脑ECs显著富集线粒体功能基因，其中叉头框蛋白FOXQ1选择性表达于脑血管。内皮细胞条件性敲除Foxq1导致严重线粒体功能障碍，包括嵴形态紊乱、氧耗减少和ATP生成受损。机制上，FOXQ1通过HAP1介导的ER-线粒体钙转移和ADCK1依赖的嵴组织双重途径调控线粒体功能，挑战了内皮细胞的代谢范式。

Inter-Tissue Heterogeneity of Brain Endothelial Cells

单细胞RNA测序显示，与肝、肺等外周内皮细胞相比，脑ECs具有独特的转录特征，显著富集线粒体代谢通路。FOX家族转录因子中，Foxq1在脑ECs特异性表达，与相邻基因Foxf2（调控BBB紧密连接）和Foxc1（参与血-视网膜屏障形成）形成染色体基因簇。通过Tie2-cre构建的内皮特异性Foxq1敲除小鼠，免疫荧光证实脑ECs中FOXQ1蛋白完全缺失。

Removal of FOXQ1 Leads to Mitochondrial Impairment

透射电镜（TEM）揭示Foxq1敲除导致脑ECs线粒体显著肿胀，嵴密度降低60%，部分线粒体出现囊泡状嵴结构。线粒体自噬标志物TOM20与溶酶体标记LAMP1共定位增加，串联荧光报告系统（TOM20-mCherry-GFP）显示自噬水平提升3倍。有趣的是，Foxq1缺失还引起血管腔面微绒毛（microvilli）数量增加2.5倍，这种结构与脑缺血病理改变相似。

Foxq1 Deletion Preserves Vascular Development But Impairs Neurological Function

尽管血管密度和直径未受影响，且Evans blue实验证实BBB通透性正常，但行为学检测显示Foxq1敲除小鼠存在显著神经功能缺陷：转棒测试（Rotarod）跌落潜伏期缩短40%，水迷宫（Morris Water Maze）目标象限停留时间减少35%，开放场（Open Field）总运动距离下降25%，提示运动协调和空间记忆受损。

Foxq1 Deletion Led to Decreased Oxygen Consumption Rate

Seahorse能量代谢分析显示，Foxq1敲除脑ECs的基础呼吸和最大呼吸容量分别降低45%和55%，ATP耦合耗氧量减少50%。膜电位染料TMRE检测发现ΔΨm下降40%，而糖酵解活性（ECAR）代偿性增加30%。ATP产量测定显示，虽然糖酵解ATP（glycoATP）增加20%，但线粒体ATP（mitoATP）锐减60%，导致总ATP仍降低35%。

FOXQ1 Regulates the Expression of Genes Associated with Mitochondrial Metabolism

CUT&Tag染色质分析发现FOXQ1的32.57%结合位点位于启动子区，与活性标记H3K4me3共定位4842个基因。AlphaFold3预测显示FOXQ1通过H165和R164残基特异性识别GTTTC motif。RNA-seq筛选出Adck1、Oma1、Bnip3和Hap1等线粒体相关基因表达下调，其中Adck1启动子区FOXQ1结合信号最强。

FOXQ1 Promotes Calcium Flux by Modulating Hap1 Expression

TEM显示Foxq1敲除破坏线粒体-内质网接触（MAMs）。钙成像实验表明，PLC激活剂m-3M3FBS诱发的钙瞬变幅度在Foxq1敲除细胞中降低55%，而过表达HAP1可恢复至80%。免疫共沉淀证实HAP1与IP3R1羧基端直接结合。NAD⁺/NADH比值检测显示，Foxq1敲除使比值下降40%，而HAP1回补可提升至正常水平的75%。

FOXQ1 Maintains Cristae Organization Through ADCK1

ADCK1定位于线粒体内膜，与MICOS复合物核心组分IMMT和蛋白酶YME1L互作。Western blot显示ADCK1缺失导致长型OPA1（L-OPA1）剪切增加50%，诱导线粒体碎片化。Mitotracker染色显示Foxq1敲除或Adck1敲除使线粒体平均长度缩短60%，而ADCK1过表达可逆转此表型。复合体I活性检测证实，Foxq1敲除使活性降低45%，ADCK1回补可恢复至85%。

Discussion

该研究建立了FOXQ1-HAP1-Ca²⁺和FOXQ1-ADCK1-OPA1两条平行通路：前者通过激活TCA循环酶（如异柠檬酸脱氢酶）增强代谢流，后者通过维持嵴结构（cristae junction）保障电子传递链空间排布。与肿瘤中FOXQ1促进EMT的作用不同，其在脑ECs中主要调控代谢稳态，这种功能分化反映了组织特异性适应。脑血管功能障碍相关疾病（如阿尔茨海默病）常伴随线粒体异常，靶向FOXQ1通路或为新型治疗策略。