内皮细胞 SLC38A2 控制脑 D-丝氨酸稳态与突触发育

《iScience》：Endothelial SLC38A2 controls brain D-serine homeostasis and synapse development

　　

L-丝氨酸是神经调质 D-丝氨酸、甘氨酸和脂类合成的前体。与“脑内 L-丝氨酸完全来自从头合成”的主流观点相反，研究人员证明膳食 L-丝氨酸是维持脑 L-丝氨酸水平所必需的，并可防止神经毒性 1-脱氧鞘脂（1-deoxysphingolipids，1-deoxySLs）形成。研究人员鉴定出 SLC38A2 是血脑屏障（blood-brain barrier，BBB）上的 L-丝氨酸转运体，介导循环 L-丝氨酸向脑内流入。内皮选择性 Slc38a2 条件敲除（Slc38a2-cKO）降低体内血到脑的 L-丝氨酸流入，并在小鼠幼崽中选择性降低海马 L-丝氨酸与神经调质 D-丝氨酸。免疫电镜显示 SLC38A2 定位于内皮细胞的腔面与腔底面膜。Slc38a2-cKO 幼崽在兴奋性突触出现超微结构缺陷，包括突触小泡簇体积减小和突触后密度面积下降。抑制 SLC38A2 可能有益于限制 L-或 D-丝氨酸病理升高疾病（如创伤性脑损伤和癫痫）中的 D-丝氨酸蓄积。

研究背景方面，血脑屏障介导发育期氨基酸从循环系统进入脑，对脑生长与突触形成至关重要。必需氨基酸主要由 LAT1（SLC7A5）转运，阳离子氨基酸由 CAT-1（SLC7A1）转运，而非必需氨基酸跨血脑屏障转运机制近年才被逐步阐明。既往认为脑 L-丝氨酸主要由脑内磷酸化途径从头合成；但前期研究发现幼龄小鼠存在较强的血源 L-丝氨酸入脑现象，且内皮转运体 SLC38A5 与 SLC1A4 缺失会降低脑 D-丝氨酸并伴 1-脱氧鞘脂蓄积。然而这些转运体在幼鼠后表达下降，不能完全解释膳食丝氨酸对脑代谢的调控，因此研究人员开展本研究以鉴定其他生理性血脑屏障 L-丝氨酸转运体并明确其功能。

该研究由 Herman Wolosker 等研究人员完成，论文发表于《iScience》。研究人员通过膳食限制、内皮特异性基因敲除、代谢组学、脂质组学、同位素示踪、免疫电镜与超微结构分析，证明 SLC38A2 是血脑屏障上关键的 L-丝氨酸转运体，揭示血源 L-丝氨酸经内皮细胞影响脑 D-丝氨酸稳态、鞘脂代谢及谷氨酸能突触发育的机制，对神经发育、神经精神疾病和脑肿瘤代谢研究具有重要意义。

主要关键技术方法方面，研究人员使用 3 周龄小鼠饲喂丝氨酸/甘氨酸受限饮食（?SG）与氨基酸定义对照饮食（CD）的膳食干预队列；构建 Tie2-Cre 与 Slc38a2^fl/fl 杂交的内皮特异性条件敲除小鼠；采用靶向代谢组学与鞘脂组学分析脑、肝、肾和血清；通过心内注射 L-[¹⁴C]丝氨酸、L-[¹⁴C]谷氨酰胺及 [³H]3-O-甲基葡萄糖（3OMG）测定脑提取分数；利用 Ser¹³C₁¹⁵N₁、葡萄糖¹³C₆、谷氨酰胺¹³C₅¹⁵N₂ 同位素示踪分析代谢流；以免疫电镜定位 SLC38A2 膜分布；以透射电镜评估齿状回分子层突触超微结构；并以负向地性、抓握与悬吊实验评估运动行为。

研究结果如下。

膳食 L-丝氨酸对维持脑 L-丝氨酸和 D-丝氨酸至关重要：研究人员通过 ?SG 饮食发现海马与皮质 L-丝氨酸分别下降约 45% 与 60%，D-丝氨酸显著减少，血清丝氨酸与甘氨酸同步降低，说明膳食 L-丝氨酸是脑 D-丝氨酸池的重要来源。

膳食丝氨酸限制改变鞘脂代谢与基因表达：?SG 饮食使脑丙氨酸/丝氨酸比升高，海马多个 1-脱氧二氢神经酰胺等 1-脱氧鞘脂蓄积，并下调生物钟及内皮相关基因，表明丝氨酸不足会重塑代谢与转录。

鉴定 SLC38A2 为血脑屏障生理性 L-丝氨酸转运体：RNA-seq 与脑微血管蛋白证据显示 SLC38A2 在内皮高表达；Slc38a2-cKO 小鼠纯化脑微血管中蛋白缺失，皮层与海马代谢组选择性显示总丝氨酸、磷酸丝氨酸下降，其他底物基本不变；HPLC 显示海马 L-丝氨酸与 D-丝氨酸平行降低。

SLC38A2 介导 L-丝氨酸跨血脑屏障转运：体内提取分数实验显示 cKO 幼鼠脑 L-丝氨酸摄取降低约 45%，肾无变化；谷氨酰胺脑提取分数反而升高；荧光素渗透无变化，说明表型源于转运功能而非血脑屏障破坏。

内皮细胞中 SLC38A2 的亚细胞定位：免疫电镜显示 SLC38A2 金颗粒分布于腔面、腔底面及胞内，cKO 无信号，证明其同时具有双向转运的结构基础。

内皮 SLC38A2 的代谢作用：同位素示踪显示 cKO 海马与皮质对外源 L-丝氨酸摄取下降，但葡萄糖来源丝氨酸合成未变；皮质甘氨酸合成代偿性增加；cKO 海马 Ala/Ser 比仅轻度升高，1-脱氧鞘脂增幅有限，说明单一缺失不足以引发强烈鞘脂毒性的阈值效应。

Slc38a2-cKO 幼崽表现兴奋性突触超微结构缺陷但运动行为正常：电镜显示非对称兴奋性突触小泡簇体积减少约 25%、突触后密度（PSD）面积缩小，对称突触与突触数量不变；负向地性、抓握和悬吊行为无异常，提示代谢与突触改变在早期可被补偿。

丝氨酸限制饮食下的 Slc38a2 缺失：4 周龄 cKO 喂 ?SG 后 L/D-丝氨酸变化无叠加，甚至 cKO 在饮食限制下海马 L-丝氨酸高于同饮食野生型，提示 SLC38A2 在低循环丝氨酸时可能参与脑内氨基酸平衡或外排。

老年小鼠中其他 SLC38A2 底物的脑水平：P28 与 P84 小鼠中 cKO 海马谷氨酰胺、脯氨酸蓄积而 L-丝氨酸保留、D-丝氨酸仍低，提示年龄相关浓度梯度改变后，腔面 SLC38A2 继续介导 L-丝氨酸入脑，腔底 SLC38A2 则参与谷氨酰胺和脯氨酸外排。

讨论部分总结：研究人员指出 SLC38A2 此前未被认为位于腔面内皮膜或参与丝氨酸代谢；本研究确立其为血脑屏障生理性 L-丝氨酸转运体。血源 L-丝氨酸通过 SLC38A2 支撑脑 D-丝氨酸合成，而 D-丝氨酸是 N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDA receptor，NMDAR）共激动剂，关联突触可塑性、树突棘生长与神经毒性。发育期高循环 L-丝氨酸促进腔面入脑，成年后脑谷氨酰胺合成增强且循环丝氨酸下降，使腔底 SLC38A2 更可能参与谷氨酰胺、脯氨酸外排及氨解毒。older cKO 仍低 D-丝氨酸，说明腔面 SLC38A2 在成年仍存在；SLC38A2 抑制可能用于癫痫、创伤性脑损伤及胶质母细胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM）等 L-丝氨酸依赖性疾病。

研究结论部分翻译：SLC38A2 此前未被认为存在于腔面内皮膜或参与丝氨酸代谢。研究人员通过代谢组学、同位素示踪与生理实验，确立 SLC38A2 为血脑屏障上真正的 L-丝氨酸转运体。?SG 饮食动物以及程度较轻的 Slc38a2-cKO 小鼠所出现的生化改变表明，血到脑的 L-丝氨酸流入对脑 D-丝氨酸合成贡献重大。D-丝氨酸由丝氨酸消旋酶在脑内合成，是 NMDAR 的生理性共激动剂，调控突触可塑性、活动依赖性树突棘生长与神经毒性。Slc38a2-cKO 脑中 L-丝氨酸选择性下降，源于发育脑对 L-丝氨酸的高需求；其他底物因需求较低或其他溶质载体（SLC）补偿而受影响较小。循环 D-丝氨酸极低且难跨血脑屏障，故脑 D-丝氨酸下降主要反映 L-丝氨酸底物供应减少，而非 D-丝氨酸转运缺陷。发育期与成年期底物浓度梯度变化使腔面 SLC38A2 主要介导 L-丝氨酸入脑，腔底 SLC38A2 在老年动物中参与谷氨酰胺和脯氨酸外排，并可能助益氨清除。成年 cKO 仍低 D-丝氨酸，说明 SLC38A2 是成年膳食 L-丝氨酸入脑的更强候选转运体。抑制腔面 SLC38A2 可降低 D-丝氨酸合成，可能对 L-丝氨酸过度产生、星形胶质细胞增生和 NMDAR 过度激活相关的癫痫、创伤性脑损伤有益；内皮 SLC38A2 也可能是 GBM 等依赖膳食 L-丝氨酸的脑肿瘤的代谢靶点。