지방산 산화는 성상교세포 ROS와 인지를 유지하기 위해 미토콘드리아 슈퍼복합체를 구성합니다.

Jul 18, 2023

Nature Metabolism 5권, 페이지 1290–1302(2023)이 기사 인용

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뇌 혈관계에 직접 접근할 수 있는 성상교세포는 이용 가능한 혈액 영양소를 흡수하고 이를 대사하여 자체 에너지 요구를 충족하고 대사 중간체를 국소 시냅스에 전달할 수 있습니다1,2. 따라서 이러한 신경교세포는 다른 기질을 교환할 수 있도록 대사적으로 적응할 수 있어야 합니다. 그러나 시험관 내 및 생체 내 연구에서는 성상교세포가 주로 해당작용을 한다는 사실이 일관되게 나타났으며3,4,5,6,7, 이는 포도당이 주요 대사 전구체임을 시사합니다. 특히, 전사체 데이터8,9 및 시험관 내10 연구에 따르면 마우스 성상교세포는 미토콘드리아로 지방산을 산화할 수 있으며 질병 모델에서 과도한 신경 유래 지방산을 해독할 수 있음이 밝혀졌습니다11,12. 그럼에도 불구하고 성상교세포에 의한 지방산 사용의 실제적인 대사적 이점과 고차 대뇌 기능에 대한 생리학적 영향은 아직 알려지지 않았습니다. 여기에서 우리는 성체 마우스 성상교세포에서 미토콘드리아 지방산 산화의 주요 효소인 카르니틴-팔미토일 트랜스퍼라제-1A(CPT1A)의 녹아웃이 인지 장애를 유발한다는 것을 보여줍니다. 기계적으로 감소된 지방산 산화는 성상교세포 피루브산 대사를 재구성하여 초조립된 미토콘드리아 호흡 사슬을 통한 전자 흐름을 촉진하여 활성 산소종 형성을 약화시킵니다. 따라서 성상교세포는 자연적으로 지방산을 대사하여 미토콘드리아 호흡 사슬을 에너지적으로 비효율적인 분해 형태로 보존하여 신호 활성 산소종을 확보하고 인지 성능을 유지합니다.

성상교세포와 뉴런에서 지방산 사용을 코딩하는 유전자의 발현 수준을 확인하기 위해 우리는 역전사(RT-qPCR) 분석을 통해 정량적 PCR을 수행했는데, 그 결과 카르니틴-팔미토일 트랜스퍼라제-1A(Cpt1a)에서 메신저 RNA의 풍부함이 증가한 것으로 나타났습니다. 뉴런과 비교했을 때 마우스 일차 성상교세포에서 CPT1A- 억제제 말로닐-CoA14-mRNA 풍부도의 생합성을 담당하는 미토콘드리아로의 장쇄 아실-CoA 진입 및 아세틸-CoA 카르복실라제-1(Acc1) 감소(보충 그림 1a) . 또한 미토콘드리아 지방산 산화의 초기 단계를 촉매하는 긴 사슬 아세틸-CoA 탈수소효소(Acadl)의 골격근 및 심장과 같은 산화 조직에 매우 풍부한 것으로 밝혀진 미토콘드리아 Acc2 이소형의 mRNA 풍부함 미토콘드리아 장쇄 지방산에서 미토콘드리아 호흡 복합체 I(CI) 및 III(CIII)으로의 전자 전달을 기능적으로 담당하는 소포체에 위치한 Cpt1c와 미토콘드리아 삼중 기능성 단백질 α(Mtpα)가 더 높은 것으로 밝혀졌습니다. 성상 세포 대 뉴런 (보조 그림 1a). 이는 상대적인 값이지만, 성상교세포가 뉴런보다 미토콘드리아로 장쇄 지방산을 산화시키는 데 더 잘 갖추어져 있음을 시사하는 이전 관찰8,9,10과 일관성이 있습니다. 이 진술을 기능적으로 유지하기 위해 CPT1의 강력하고 비가역적인 억제제인 ​​etomoxir의 부재 또는 존재 하에서 포도당 기반 배지에서 Seahorse 기술을 사용하여 성상교세포와 뉴런에서 산소 소비율(OCR)을 분석했습니다(참조 17). 보충 그림 1b에서 볼 수 있듯이, 기초 미토콘드리아 호흡은 성상교세포와 비교했을 때 뉴런에서 대략 1.7배 더 높은 것으로 밝혀져 이전 연구 결과를 확인시켜 주었습니다. 특히, etomoxir에 의한 미토콘드리아 OCR 억제 비율은 뉴런에서 대략 20%, 성상교세포에서 대략 35%였으며(보충 그림 1b), 이는 지방산이 뉴런보다 성상교세포에 대해 선호되는 미토콘드리아 호흡 기질임을 나타냅니다. 성상교세포 ATP 연결 미토콘드리아 호흡의 약 62%가 지방산에 의해 유지되었습니다(보충 그림 1b).

생체 내 성상교세포에서 미토콘드리아 지방산 산화의 대사 이점을 조사하고 약리학적 억제제의 잠재적인 단점을 극복하기 위해 우리는 성상교세포 특이적 Cpt1a 녹아웃(KO) 마우스 모델을 유전적으로 조작했습니다. 이를 위해 2개월 된 Cpt1alox/lox 마우스19에 성상교세포 특이적 신경교섬유산에 의해 통제되는 Cre 재조합효소를 발현하는 PHP.eB 혈청형 아데노 관련 바이러스(AAV) 입자를 안와동을 통해 정맥 주사했습니다. 단백질 (GFAP) 짧은 프로모터 (PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP) (그림 1a). 이 치료법은 뇌 전체에 걸쳐 녹색 형광 단백질(GFP)이 광범위하게 발현되는 것으로 판단할 때 효율적이었습니다(보충 그림 1c). 대조군(야생형, WT)은 Cre recombinase가 없다는 점을 제외하고는 동일한 바이러스 입자를 동일한 용량으로 투여한 Cpt1alox/lox 마우스였으며 모든 마우스는 1-9개월 후에 분석되었습니다(그림 1a). 그림 1b (보조 그림 1d)에 표시된 것처럼 PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP 처리는 뇌 CPT1A 단백질 풍부도를 크게 감소시켰습니다. 뇌에 성상교세포 외에 다른 세포 유형이 포함되어 있다는 점을 감안할 때, 우리는 성인 CPT1A KO 마우스의 뇌에서 면역자기적으로 분리된 생체 외 성상교세포에서 CPT1A 풍부도를 분석했습니다(그림 1a). 이는 성상교세포 양성(ACSA+)에서 특히 CPT1A 폐지를 나타냅니다. 분획이지만 성상 세포 음성 (ACSA-) 분획에는 없습니다 (그림 1c). CPT1A KO의 기능적 효능을 확인하기 위해, 성체 쥐로부터 생체외에서 새로 분리된 뇌 조각을 [U-14C]팔미트산과 함께 배양하여 지방산 산화 플럭스의 지표로서 14CO2 생성 속도를 평가했습니다. 그림 1d에서 볼 수 있듯이, 뇌의 산화 플럭스는 WT 마우스와 비교했을 때 CPT1A KO에서 대략 75% 정도 크게 감소했습니다. 성상교세포 CPT1A의 손실이 뇌 대사의 다른 경로를 변경했는지 여부를 설명하기 위해 우리는 뇌 샘플에서 비표적 대사체학을 수행했습니다. 화산 플롯(보충 그림 1e)과 히트맵(보충 그림 1f)에 설명된 바와 같이 성상교세포 특이성 CPT1A KO 생쥐의 뇌에서 17개의 대사 산물이 크게 감소하고 43개의 대사 산물이 크게 증가한 것을 발견했습니다. 결과는 장쇄 지방산과 장쇄 아실 카르니틴 유도체의 풍부함이 증가하고 단쇄 지방산의 풍부함이 감소한 것으로 나타났습니다 (그림 1e). 이는 장쇄 감소와 단쇄 지방산 사용 증가를 나타냅니다. 특히 성상 세포 특이 적 CPT1A KO 생쥐의 뇌에서 피루브산 농도가 약 26 % 크게 감소했으며 (그림 1e), 이는 해당 분해 최종 생성물 중간체의 대사 변화를 암시합니다.