《Alzheimers & Dementia》：Astrocytic PYGM attenuates tau pathology by promoting lactate-mediated neuroprotection
编辑推荐：
这篇文章首次揭示了星形胶质细胞糖原代谢限速酶PYGM在tau蛋白病（如额颞叶变性）中的关键作用。研究表明，在疾病病理阶段，星形胶质细胞PYGM表达上调；特异性敲除PYGM会加剧小鼠的认知和运动功能障碍、tau蛋白过度磷酸化、神经炎症和神经元丢失；而过表达PYGM或补充乳酸则可有效缓解这些病理表型。其核心机制在于PYGM通过促进糖原分解产生乳酸，维持星形胶质细胞-神经元间的代谢耦合与能量稳态，从而发挥神经保护作用。该研究为以星形胶质细胞糖原代谢为靶点治疗tau蛋白病提供了新的思路。
1. 背景
Tau蛋白病是一类以异常过度磷酸化tau蛋白聚集为特征的神经退行性疾病，包括额颞叶痴呆（FTD）、阿尔茨海默病（AD）等。其病理过程会破坏神经元微管稳定性，损害突触功能，引发神经炎症，最终导致神经元死亡和脑萎缩。除了神经元本身，非神经元细胞，特别是星形胶质细胞，在疾病进展中也扮演重要角色。星形胶质细胞通过支持神经元代谢、调节突触活动等维持中枢神经系统稳态。在大脑中，糖原主要储存于星形胶质细胞中，可快速分解为乳酸并释放，为神经元提供能量支持。糖原代谢紊乱会影响突触功能和认知。然而，星形胶质细胞糖原代谢，尤其是糖原分解限速酶PYGM（糖原磷酸化酶，肌肉型）在tau蛋白病中的作用尚不清楚。
2. 方法
本研究采用多层面方法进行探究：分析了额颞叶变性伴泛素阳性包涵体（FTLD-U）患者和tauP301S转基因（PS19）小鼠脑内PYGM的表达；通过在PS19小鼠中条件性敲除或过表达星形胶质细胞特异性PYGM，评估其对tau蛋白病相关表型的影响；研究了PYGM敲低对星形胶质细胞和神经元的影响；并评估了补充乳酸对PS19小鼠的治疗效果。具体实验涉及免疫印迹、免疫荧光、行为学测试（Y迷宫、Morris水迷宫、条件性恐惧）、电生理记录、糖原与乳酸定量、细胞代谢率（ECAR/OCR）检测等。
3. 结果
3.1 PYGM在tau蛋白病患者和PS19小鼠星形胶质细胞中表达上调
研究发现，在9月龄雄性PS19小鼠的海马和皮层中，PYGM蛋白水平显著升高，且这种上调仅出现在疾病病理阶段（9月龄），而在2月和6月龄时无变化。免疫荧光显示PYGM主要与星形胶质细胞标志物GFAP共定位。对FTLD-U患者脑组织的基因表达数据分析也发现，无论是否携带颗粒蛋白前体基因突变，患者的PYGM mRNA水平均显著高于对照组。这些结果提示，星形胶质细胞PYGM可能在tau蛋白病病理阶段起关键作用。
3.2 星形胶质细胞PYGM缺失损害小鼠认知并加剧tau蛋白病相关缺陷
利用Aldh1l1-creER系统构建星形胶质细胞特异性PYGM条件性敲除（AcKO）小鼠。研究发现，AcKO小鼠本身在Morris水迷宫和Y迷宫测试中表现出空间学习记忆和工作记忆损伤。将AcKO与PS19小鼠杂交得到AcKO;PS19小鼠。与PS19小鼠相比，AcKO;PS19小鼠在Morris水迷宫中的逃避潜伏期更长，平台穿越次数更少；在条件性恐惧测试中情景记忆更差；并且表现出更严重的体重减轻和后肢抓握异常。表明星形胶质细胞PYGM缺失会加剧tau蛋白病背景下的认知和运动功能障碍。
3.3 星形胶质细胞PYGM缺失加重PS19小鼠的tau蛋白病相关病理
病理分析显示，AcKO;PS19小鼠相比PS19小鼠，海马CA1和CA3区的神经元丢失更为严重，凋亡细胞增多。虽然PS19小鼠已表现出长时程增强（LTP）受损和树突棘密度降低，但AcKO;PS19小鼠并未进一步恶化这两项指标，可能因为tau蛋白病导致的损伤在此阶段已近饱和。然而，AcKO小鼠本身相比对照小鼠则出现了LTP和树突棘密度的显著下降。更重要的是，PYGM缺失显著加剧了tau蛋白在多个位点（S396, S404, S199, T231/S235, T181）的磷酸化，并增强了海马和皮层的星形胶质细胞增生（GFAP增加）和小胶质细胞激活（Iba1增加）。
3.4 星形胶质细胞PYGM过表达缓解PS19小鼠的认知和运动缺陷
为了探究PYGM的治疗潜力，研究通过向6月龄PS19小鼠海马立体定位注射携带PYGM的腺相关病毒（AAV），在星形胶质细胞中过表达PYGM。行为测试表明，与对照组相比，PYGM过表达的PS19小鼠在Morris水迷宫中的逃避潜伏期缩短，平台穿越次数增加，在Y迷宫中的自发交替率提高，在条件性恐惧测试中的线索冻结反应增强，同时体重减轻和后肢抓握症状得到缓解。而在野生型小鼠中过表达PYGM并未引起明显行为改变，提示其治疗作用具有病理特异性。
3.5 星形胶质细胞PYGM过表达减轻PS19小鼠的tau蛋白病相关病理
与行为改善一致，PYGM过表达减轻了PS19小鼠海马和皮层的神经元丢失，降低了tau蛋白在T212、T231/S235和T205位点的磷酸化水平，并且缓解了星形胶质细胞增生和小胶质细胞激活。
3.6 PYGM缺失破坏星形胶质细胞的糖原稳态和能量代谢
机制上，在体外培养的小鼠原代星形胶质细胞中敲低PYGM，导致细胞内糖原积累。代谢功能分析显示，PYGM敲低的星形胶质细胞糖酵解能力（ECAR）和线粒体呼吸功能（OCR）均受损，乳酸产生和释放显著减少，同时活性氧（ROS）水平和促炎细胞因子（TNFα, IL6, IL1β）的mRNA表达升高。相应地，在体实验发现，星形胶质细胞特异性过表达PYGM能提高野生型和PS19小鼠脑脊液中的乳酸浓度。
3.7 星形胶质细胞PYGM缺失损害神经元代谢稳态并促进tau磷酸化
星形胶质细胞的功能障碍会波及神经元。用来自PYGM敲低星形胶质细胞的条件培养基处理野生型或PS19原代神经元，发现这些神经元的糖酵解和线粒体呼吸功能均下降。更重要的是，该条件培养基处理显著增加了PS19神经元中tau蛋白在T212位点的磷酸化。这表明星形胶质细胞代谢紊乱可通过改变细胞外环境，损害神经元能量稳态并加速tau病理。
3.8 补充乳酸可减轻PS19小鼠的多种tau蛋白病相关表型
乳酸是星形胶质细胞糖原分解的关键产物。体外实验发现，用L-乳酸（而非葡萄糖或油酸）处理PS19神经元，可以改善其树突复杂性缺陷，并降低tau磷酸化水平。在体实验中，向9月龄PS19小鼠侧脑室注射L-乳酸，24小时后进行测试。结果显示，乳酸治疗挽救了PS19小鼠在Y迷宫中的自发交替缺陷，改善了条件性恐惧测试中的线索冻结反应，减少了海马CA1区的神经元丢失，降低了tau蛋白在T212和T231/S235位点的磷酸化，并减轻了神经胶质增生。
4. 讨论
本研究首次系统阐述了星形胶质细胞PYGM在tau蛋白病中的神经保护作用。在疾病晚期，脑内PYGM表达上调可能是一种代偿性代谢反应，旨在通过增强糖原分解来对抗tau蛋白诱导的能量危机。PYGM缺失会导致星形胶质细胞自主性代谢危机（糖原积累、能量产生障碍、氧化应激和炎症），并通过减少乳酸供给等途径，破坏对神经元的代谢支持，最终加剧tau病理、神经炎症和认知运动障碍。反之，增强星形胶质细胞PYGM表达或直接补充乳酸，能够恢复能量稳态，缓解病理表型。该研究揭示了星形胶质细胞-神经元代谢耦合在tau蛋白病中的核心地位，指出以PYGM或乳酸代谢为靶点可能是治疗tau蛋白病的新策略。未来研究需探索PYGM上调的具体信号机制、在其他tau蛋白病（如进行性核上性麻痹）中的普适性，以及长期激活该通路的安全性。
