IF 13.437｜江沛教授團隊揭示PDK2在調(diào)節(jié)大腦能量代謝和抑郁癥發(fā)病中的關(guān)鍵作用
抑郁癥是一種伴隨能量代謝紊亂的精神疾病，重度抑郁癥（MDD）是社會面臨的嚴重健康挑戰(zhàn)。抑郁癥患者經(jīng)常觀察到下丘腦-垂體-腎上腺軸反應(yīng)失調(diào)，糖皮質(zhì)激素（GCs）釋放異常。然而，GCs和大腦能量代謝之間的相關(guān)病因仍知之甚少。
2023年5月，山東第一醫(yī)科大學附屬濟寧市第一人民醫(yī)院江沛團隊在Molecular Psychiatry（IF 13.437）上在線發(fā)表了題為“Targeting PDK2 rescues stress-induced impaired brain energy metabolism”的成果。研究揭示了抑郁癥表現(xiàn)的一種新機制，GR通過直接結(jié)合PDK2的啟動子區(qū)，并通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元TCA流量和ATP生成進一步激活PDK2的轉(zhuǎn)錄，可能在維持大腦能量穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。
1、慢性社會挫敗應(yīng)激（CSDS）增強PDK2的表達和PDH的磷酸化
作者發(fā)現(xiàn)抑郁癥動物模型CSDS小鼠的能量代謝被干擾。鑒于PDH是丙酮酸進入TCA循環(huán)后氧化的關(guān)鍵調(diào)控因子，作者檢測了PDH活性，發(fā)現(xiàn)CSDS小鼠皮層中PDH酶活性顯著降低，且與SI比值呈正相關(guān)。進一步檢測發(fā)現(xiàn)CSDS小鼠額葉皮層、海馬和下丘腦中PDK2 mRNA水平顯著高于對照組，且僅在皮層中PDK2 mRNA水平與SI比值呈顯著負相關(guān)。Western blotting結(jié)果顯示CSDS小鼠額葉皮層的PDK2蛋白水平顯著升高，導(dǎo)致PDH磷酸化水平顯著升高。此外，免疫熒光染色結(jié)果顯示PDK2主要表達于神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細胞中，體外實驗證實了這一點，且CSDS暴露更明顯地誘導(dǎo)神經(jīng)元中PDK2表達。
圖1. CSDS暴露后小鼠皮層中PDK和磷酸化PDH表達增強
2、GR通過結(jié)合PDK2啟動子區(qū)域調(diào)節(jié)PDK2的表達
糖皮質(zhì)激素是能量代謝和應(yīng)激反應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子，血清皮質(zhì)醇和皮質(zhì)酮( CORT )含量分別在MDD患者和CSDS小鼠中顯著升高。作者進一步評估了CORT對神經(jīng)元凋亡和GR轉(zhuǎn)運的影響，發(fā)現(xiàn)CORT處理顯著提高了Cleaved caspase-3的表達。CORT處理的神經(jīng)元誘導(dǎo)GR表達增加，導(dǎo)致GR向細胞核轉(zhuǎn)運。進一步檢測發(fā)現(xiàn)CORT暴露導(dǎo)致PDK2表達增加和PDH活性抑制。GCs通過激活GR調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，GR與靶基因啟動子區(qū)域的GREs結(jié)合，作者進一步研究發(fā)現(xiàn)GR結(jié)合PDK2啟動子并調(diào)節(jié)神經(jīng)元中PDK2的表達。
圖2. GR通過與其啟動子結(jié)合來調(diào)控PDK2基因的表達
3、PDK2抑制可減輕CSDS誘導(dǎo)的抑郁行為
作者發(fā)現(xiàn)暴露于CORT會抑制糖酵解途徑進入TCA循環(huán)的碳通量，導(dǎo)致神經(jīng)元功能所需能量供應(yīng)不足；相反，PDK2耗竭對葡萄糖通量進入TCA循環(huán)有顯著的促進作用。為評估GR-PDK2-PDH軸是否影響CSDS小鼠的行為，對CSDS小鼠進行每天腹腔注射RU486或DCA (PDK抑制劑) 1次處理，連續(xù)10天。SPT、FST和EPM測試發(fā)現(xiàn)，RU486或DCA可以挽救CSDS誘導(dǎo)的抑郁樣行為。此外，CSDS增加了PDK2和p-PDH水平，而RU486或DCA治療顯著逆轉(zhuǎn)了這些作用。RU486或DCA處理的神經(jīng)元形態(tài)學異常得到改善，CSDS組大鼠皮層神經(jīng)元凋亡細胞數(shù)量明顯高于對照組; 然而，RU486或DCA治療逆轉(zhuǎn)了這種效果。
圖3. PDK2抑制可減輕CSDS誘導(dǎo)的抑郁行為
4、神經(jīng)元特異性敲低PDK2可增加PDH活性并增強對壓力的恢復(fù)能力
為研究GR或PDK2對PDH活性的作用，作者通過將GR或PDK2的shRNA嵌入miR30結(jié)構(gòu)，并利用AAV載體（AAV9-hSyn-shGR / AAV9-hSyn-shPDK2）在小鼠神經(jīng)元中特異性敲低GR或PDK2。結(jié)果顯示，GR或PDK2特異性敲低的CSDS小鼠的SI高于對照 (AAV9-hSyn-sh-NC)組，表明GR或PDK2阻止了應(yīng)激敏感性的誘導(dǎo)。GR敲低顯著降低了PDK2 mRNA和蛋白的水平。此外，GR或PDK2敲除顯著降低了Ser293和Ser300殘基的PDH磷酸化。值得注意的是，GR或PDK2抑制對PDH表達沒有影響，但增加了PDH活性。結(jié)果顯示，注射AAV9-hSyn-sh-GR-和AAV9-hSyn-sh-PDK2小鼠的ATP含量和NADH/NAD+比值明顯高于對照小鼠。
圖4. 神經(jīng)元特異性敲低PDK2可增加PDH活性并增強對壓力的恢復(fù)能力
綜上所述，本研究證實GR通過直接結(jié)合PDK2的啟動子區(qū)來調(diào)節(jié)神經(jīng)元TCA通量和ATP生成，進而激活PDK2的轉(zhuǎn)錄，這可能在維持腦能量穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。抑制PDK2表達可改善CSDS誘導(dǎo)的行為學缺陷和腦損傷，本研究發(fā)現(xiàn)了抑郁癥發(fā)病機制的新機制，為抑郁癥的治療提供了潛在的治療靶點。
