代谢基因HKDC1表达沉默与小鼠及人类的衰老和神经退行性变相关

《Aging Cell》：Silencing of the Metabolic Gene HKDC1 Is Associated With Aging and Neurodegeneration in Mice and Humans

这篇研究揭示了代谢酶HKDC1在脑部表达随衰老和阿尔茨海默病（AD）严重程度而降低。通过构建大脑特异性敲除（BKO）小鼠模型，研究发现HKDC1缺失会导致年龄依赖性的记忆与学习能力缺陷、焦虑、细胞衰老和神经炎症。机制上，衰老导致转录因子EB（TFEB）对HKDC1启动子的结合能力下降，进而减少其表达，这可能通过影响线粒体功能（如PINK1表达降低）促进神经退行性变进程。该研究首次阐明了HKDC1在脑衰老和认知功能维持中的关键作用，为理解代谢失调与神经退行性疾病的关系提供了新视角。

　　

引言

随着全球人口预期寿命的延长，神经退行性疾病如阿尔茨海默病（AD）带来了巨大的社会经济负担。所有慢性脑衰老或神经退行性疾病都具有相似的特征：神经元进行性丧失伴随记忆和运动技能损伤、神经炎症以及突触可塑性受损。代谢失调是影响该过程的重要因素，但其精确机制尚不清楚。己糖激酶（HK）是催化葡萄糖代谢第一步的酶家族。HKDC1作为第五个新型己糖激酶，此前研究发现其与妊娠期糖尿病中受损的口服葡萄糖耐量相关，并在衰老和妊娠期小鼠全身葡萄糖稳态中发挥作用。鉴于代谢疾病与神经退行性疾病的关联，本研究探讨了HKDC1在脑部表达及其在神经退行性变中的作用。

方法

研究使用了多种小鼠模型，包括大脑特异性HKDC1敲除小鼠（BKO，通过将HKDC1^fl/fl雌鼠与Nestin-cre雄鼠杂交获得）、快速衰老模型SAMP8小鼠及其对照SAMR1小鼠，以及5XFAD AD模型小鼠。通过新颖物体位置测试和旷场测试评估小鼠的记忆、学习和焦虑行为。使用定量PCR、免疫印迹、免疫荧光、染色质免疫沉淀（ChIP）等技术分析了基因表达、蛋白水平、染色质状态和细胞定位。利用人类大脑蛋白质组学数据（来自ROSMAP研究）和单核RNA测序数据评估了HKDC1与AD病理的关联及其在不同细胞类型中的表达。在CCF-STTG1人星形胶质细胞系中，通过siRNA敲低HKDC1，并检测线粒体健康、活性氧（ROS）产生和自噬相关指标。

结果

1. HKDC1表达缺失与人和小鼠神经退行性变相关

HKDC1在小鼠大脑中高表达，特别是在皮层和海马体。分析人类大脑蛋白质组数据发现，HKDC1蛋白丰度与全球AD病理负担和β-淀粉样蛋白水平呈负相关。孟德尔随机化分析提示，基因预测的更高大脑HKDC1蛋白丰度对AD具有潜在保护作用。在5XFAD AD模型小鼠中，HKDC1的RNA和蛋白表达水平也显著下降。

2. 大脑HKDC1表达对记忆、学习和年龄相关性焦虑至关重要

与HKDC1^fl/fl对照小鼠相比，9月龄（而非4月龄）的HKDC1-BKO雄性和雌性小鼠均表现出记忆和学习缺陷。此外，9月龄BKO雄性小鼠（而非雌性小鼠）表现出明显的焦虑行为。对BKO小鼠大脑的RNA测序分析显示，与突触信号、行为、认知、神经元投射发育、记忆和学习等相关的通路基因表达显著下调。

3. 大脑HKDC1表达缺失与小鼠衰老相关

在HKDC1^fl/fl小鼠中，HKDC1在脑部的RNA和蛋白表达水平随年龄增长（从4月龄到9月龄）而下降。亚细胞分离显示，脑中的HKDC1与HK1类似，特异性地定位于线粒体。在衰老模型SAMP8小鼠中，HKDC1的表达也显著低于对照SAMR1小鼠，并且从4月龄到9月龄持续下降，强烈表明HKDC1表达的丧失与小鼠衰老相关。

4. 大脑HKDC1缺失与衰老和炎症相关

在9月龄BKO小鼠大脑中，衰老标志物（p21、p53）和神经炎症标志物（TNFα、COX-2、IL-1β）的表达均增加。同时，线粒体健康标志物PINK1的表达显著下降，表明HKDC1的缺失影响了线粒体功能。血清Aβ-42水平和p-tau蛋白在BKO与对照小鼠间无明显差异，提示在9月龄时观察到的变化主要与衰老和炎症相关，而非显著的Aβ-42积累。

5. 星形胶质细胞HKDC1缺失导致ROS产生增加和自噬受损

对人类大脑单核RNA测序数据的分析显示，HKDC1在星形胶质细胞中表达最高，并且在AD患者中表达显著降低。免疫荧光证实了HKDC1与星形胶质细胞标志物GFAP的共定位。在CCF-STTG1人星形胶质细胞系中敲低HKDC1，不仅导致PINK1表达下降和炎症标志物表达上升，还使细胞在基线状态和线粒体解偶联剂FCCP处理后，均表现出更高的ROS产生，并且在高剂量FCCP下无法有效降低ROS，提示其清除受损线粒体的自噬能力受损。

6. 大脑HKDC1表达受转录因子EB（TFEB）调控

TFEB是调控HKDC1表达的关键转录因子。染色质免疫沉淀分析显示，在9月龄小鼠大脑中，TFEB与HKDC1启动子的结合显著低于4月龄小鼠。同时，与活跃转录相关的RNA聚合酶II结合和组蛋白修饰H3K27ac在HKDC1基因位点也随衰老而减少。然而，TFEB本身的表达水平在年龄或HKDC1缺失条件下并未改变，表明衰老特异性地降低了TFEB对HKDC1启动子的招募能力。

讨论

衰老和衰老相关的细胞衰老是不可逆的生理过程，可导致神经退行性疾病。异常的能量代谢和线粒体功能障碍是衰老和神经退行性疾病的已知标志。本研究首次阐述了HKDC1在脑衰老和神经退行性变中的作用。研究发现，HKDC1表达在AD和衰老模型小鼠以及人类AD大脑中均下降。基因缺失HKDC1会导致年龄依赖性的认知缺陷、焦虑、细胞衰老和神经炎症。机制上，衰老改变了HKDC1基因位点的染色质构象，减少了TFEB的招募，从而降低了HKDC1的表达。HKDC1的缺失可能通过影响其与线粒体蛋白VDAC的相互作用，破坏PINK1-Parkin介导的健康线粒体自噬，导致功能失调的线粒体积累，进而诱发衰老和炎症。研究还发现，HKDC1在星形胶质细胞中高表达，其缺失会损害星形胶质细胞的线粒体功能和自噬能力。未来的研究方向包括在更年长的动物模型中探索TFEB-HKDC1-PINK1轴的详细机制，研究限时进食或生酮饮食等干预措施对该通路的影响，以及探究雌性激素在性别特异性保护中的作用。总之，该研究揭示了HKDC1作为连接代谢、线粒体功能和脑衰老的关键分子，为开发针对衰老相关神经退行性疾病的代谢干预策略提供了新的潜在靶点。