高糖基化是阿尔茨海默病的一种代谢性驱动因素

《Nature Metabolism》：Hyperglycosylation is a metabolic driver of Alzheimer’s disease

　　

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是一种以进行性认知衰退为特征的毁灭性神经退行性疾病。代谢紊乱被广泛观察到，但其参与AD分子病因的机制仍未被充分探究。本研究将高糖基化确定为AD的一种驱动因素。研究人员在转基因AD小鼠模型和人死后AD样本中整合空间代谢组学、脂质组学和糖组学，并结合N-连接（N-linked）聚糖的高级空间同位素示踪脉冲-追踪（pulse-chase）分析，证明脑高糖基化的保守表型是由聚糖生物合成增强所驱动的。聚糖生物合成酶的基因敲低可改善AD小鼠的认知结局，而口服氨基葡萄糖（glucosamine）补充则会损害认知结局。研究人员对具有不同疾病严重程度的AD患者的电子健康记录（electronic health records，EHR）进行回顾性分析显示，氨基葡萄糖补充与AD进展加速和生存恶化相关。总之，这些结果确立高糖基化为AD的病理性驱动因素，并突出聚糖代谢作为对抗AD的一个可操作靶点。

该研究论文发表于《Nature Metabolism》。研究背景方面，阿尔茨海默病（AD）是一种复杂神经退行性疾病，以进行性认知障碍、突触功能障碍、神经炎症和广泛神经元丢失为特征，目前尚缺乏有效的疾病修饰疗法。尽管代谢功能障碍（如葡萄糖代谢降低、线粒体功能异常、脂质稳态失衡）已被证实参与AD病理，但整体代谢组尤其是复杂碳水化合物代谢如聚糖生物合成与加工在AD中的作用仍不清楚。N-连接（N-linked）糖基化是维持蛋白稳定性、细胞内运输、受体-配体相互作用及脑稳态的关键翻译后修饰，其失调可能影响小胶质细胞功能、tau蛋白聚集、β-淀粉样蛋白（amyloid-beta，Aβ）清除及血脑屏障（blood–brain barrier，BBB）功能，因此研究人员假设高糖基化是AD的病理性标志并主动促进疾病进展，从而开展本研究以明确聚糖代谢在AD中的因果作用及治疗潜力。

主要关键技术方法包括：采用空间基质辅助激光解吸电离质谱成像（matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging，MALDI–MSI）为基础的空间多组学（代谢组学、脂质组学、糖组学）流程，对人额叶皮质新鲜冷冻和福尔马林固定石蜡包埋（formalin-fixed paraffin-embedded，FFPE）样本（来自佛罗里达大学AD研究中心，匹配年龄、性别、死后间隔（post-mortem interval，PMI）并按Braak分期分层）以及转基因AD小鼠模型（5xFAD和PS19）脑组织进行分析；建立稳定同位素（¹³C₆-葡萄糖）脉冲-追踪（pulse-chase）实验结合离子迁移（ion mobility）MALDI–MSI与液相色谱-质谱（liquid chromatography–mass spectrometry，LC–MS）以区分聚糖新生合成与周转/回收途径；应用聚糖蛋白质组学（glycoproteomics）分析膜糖蛋白富集样品（使用nano-LC与Thermo Eclipse高分辨质谱及Byonic搜库）；通过立体定位注射慢病毒介导的shRNA敲低磷酸葡萄糖变位酶3（phosphoglucomutase 3，PGM3）或使用寡糖基转移酶（oligosaccharyltransferase，OST）小分子抑制剂NGI-1干预AD小鼠脑内己糖胺生物合成途径（hexosamine biosynthetic pathway，HBP）依赖的N-连接糖基化，并以口服氨基葡萄糖（glucosamine）补充作为增强糖基化的饮食干预；利用社会记忆测试评估认知行为；基于佛罗里达大学健康（University of Florida Health）集成数据仓库的电子健康记录（electronic health records，EHR）回顾性队列（AD/ADRD（Alzheimer’s disease and Alzheimer’s disease related dementias）与轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）患者，通过自然语言处理识别氨基葡萄糖使用），进行生存分析与MCI至AD转化分析，并采用倾向评分匹配控制协变量。

研究结果如下：

Hyperglycosylation in human AD specimens：研究人员通过优化的人脑组织空间多组学流程（采用二甲苯洗涤增强脂质去除以提升N-糖组检测），在AD人额叶皮质样本中发现灰质和白质区域N-连接聚糖丰度显著升高，尤以双分叉（bisecting）和高甘露糖（high mannose）聚糖为著；空间代谢组显示关键聚糖前体N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosamine，GlcNAc）和葡糖胺-6-磷酸减少。对FFPE样本按Braak分期分层分析表明，灰质高糖基化随疾病严重度（Braak分期）进展性增加，白质则呈早期短暂升高而非进行性持续积累，提示灰质高糖基化与AD病理程度相关。

Hyperglycosylation in mouse AD brains：在9月龄5xFAD和PS19小鼠脑空间多组学分析中，代谢组和脂质组存在广泛改变，而N-聚糖谱同样显示保守的高糖基化表型，区域上以皮质、海马、丘脑最为显著，小脑和延脑较轻，与人类AD区域易感性一致。

Increased glycan biosynthesis in mouse models of AD：通过¹³C-葡萄糖脉冲-追踪结合离子迁移MALDI–MSI及LC–MS同位素示踪，研究人员发现AD小鼠脑内标记聚糖（如m/z 1,257的高甘露聚糖）的脉冲期富集程度显著高于野生型（wild-type，WT），而24小时洗脱（chase）期无聚糖周转差异，说明高糖基化源于聚糖新生生物合成增强而非降解/溶酶体回收途径受损；LC–MS显示AD小鼠脑内标记的UDP-己糖（UDP-hexose）和UDP-HexNAc（UDP-N-乙酰己糖胺）水平升高，且内质网（endoplasmic reticulum，ER）和高尔基体中聚糖生物合成酶（如Mgat、Man1a2、B4galt1）mRNA上调，证实生物合成通路上调。尽管UDP-GlcNAc池增大，但O-GlcNAc修饰（O-GlcNAcylation）和透明质酸（hyaluronic acid）反而减少，表明AD脑内UDP-GlcNAc代谢发生分区重定向，优先流向N-连接糖基化而非其他分支。

Glycoproteomic analysis：聚糖蛋白质组学显示AD人脑和小鼠脑中糖肽（glycopeptide）总丰度增加，但糖基化蛋白种类在病例与对照间高度重叠（>90%），说明高糖基化主要来自既有糖蛋白上糖基化修饰的上调而非新型糖蛋白出现；细胞类型富集分析提示神经元是主要受影响群体。

Genetic and dietary interventions of glycosylation during neurodegeneration：研究人员在8月龄5xFAD和PS19小鼠中分别通过脑室注射shPGM3敲低PGM3、使用OST抑制剂NGI-1处理，均有效降低脑N-聚糖水平，且在社会记忆测试中显著改善认知表现；两种干预均未明显改变星形胶质细胞活化（GFAP（glial fibrillary acidic protein））、Aβ斑块（5xFAD）或tau病变（PS19）负荷，提示获益不依赖于经典病理蛋白减少。相反，同等月龄5xFAD小鼠每日口服氨基葡萄糖（457 mg kg^?1day^?1）进一步提升脑N-聚糖丰度并加剧社会记忆缺陷。在WT小鼠中，shPGM3或氨基葡萄糖处理均不引起认知变化，且氨基葡萄糖未提升WT脑内聚糖水平，说明正常脑具有缓冲糖基化稳态的能力。

Real-world impact of glucosamine in the dementia patient population：基于UF Health EHR回顾性队列（ADRD n=24,481；MCI n=41,884；中位随访约5年），约8%患者有用氨基葡萄糖记录。生存分析显示ADRD患者中氨基葡萄糖使用与全因死亡风险增加约25%相关（P=0.0023），MCI患者组则无显著生存差异；MCI人群中氨基葡萄糖使用者进展为ADRD的累积发生率比非使用者高约25%，提示氨基葡萄糖可能加速高危人群疾病转化。

Glucosamine supplementation in WT mice：8月龄WT小鼠接受同等氨基葡萄糖灌胃2周，空间糖组未见聚糖水平升高，社会记忆表现也无受损，印证正常脑代谢稳态可抵御外源己糖胺前体诱导的高糖基化，而AD/神经退行状态下这种稳态脆弱。

讨论部分总结：研究人员指出MALDI–MSI空间多组学揭示了AD脑高糖基化这一保守代谢表型，在淀粉样蛋白（Aβ）驱动的5xFAD和tau驱动的PS19模型中均存在，说明不限于单一病理驱动而可能是神经退行共享特征。同位素示踪明确高糖基化主要由ER/高尔基体聚糖新生合成增强驱动，而非溶酶体回收缺陷；尽管UDP-GlcNAc池上升，但代谢流偏向N-连接分支，O-GlcNAc和透明质酸反而下降，反映AD脑内己糖胺代谢的区室化重编程。聚糖蛋白质组表明既有神经元膜蛋白（如参与动作电位和突触传递者）糖基化修饰增强而非新糖蛋白出现。功能干预上，遗传敲低PGM3或药理学抑制OST降低N-糖基化可改善AD小鼠记忆且不依赖Aβ/tau病理或神经炎症标志物改变，WT中无认知副作用，说明靶向N-连接糖基化是具有选择性的候选策略；目前尚无透血脑屏障的PGM3抑制剂，需未来开发。EHR数据显示氨基葡萄糖使用与ADRD更高死亡率及MCI向AD更快转化相关，但MCI生存无影响、WT小鼠也不出现高糖基化或认知损伤，说明有害效应特异于神经退行代谢背景；鉴于非处方氨基葡萄糖广泛使用，需开展严格临床试验评估其在痴呆人群的安全性。该研究彰显空间生物学与糖代谢研究对AD的价值，未来应结合单细胞空间转录组等细化细胞类型层面糖代谢失调，并推进己糖胺通路选择性抑制剂的临床前验证。论文结论为：高糖基化是AD的病理性驱动因素，聚糖代谢系可干预靶点；氨基葡萄糖补充在AD/ADRD背景下与不良预后相关，应避免在痴呆患者中使用。