引言

在大脑中，神经元的计算依赖于充足且不间断的营养和氧气供应。星形胶质细胞（astrocytes）是神经元的邻居，负责调控大脑的葡萄糖摄取和代谢。然而，神经元和星形胶质细胞之间的代谢耦合机制尚未完全了解。7月3日 Nature的研究报道“Adenosine signalling to astrocytes coordinates brain metabolism and function”，揭示了神经活动依赖的星形胶质细胞代谢激活是通过神经调节因子腺苷（adenosine）作用于星形胶质细胞的A2B受体（A2B receptors）实现的。A2B受体的刺激通过经典的环腺苷酸（cAMP）-蛋白激酶A（PKA）信号通路，迅速激活星形胶质细胞的葡萄糖代谢，并释放乳酸（lactate），补充了细胞外可用的能量底物池。通过在体内和体外的动物模型实验，研究表明，腺苷介导的代谢信号对于维持突触功能至关重要，特别是在高能量需求或能量供应减少的条件下。敲除星形胶质细胞中A2B受体的基因导致大脑能量代谢的重大重编程，阻止了海马区突触可塑性，严重损害了识别记忆，并扰乱了睡眠。大脑中的神经元缺乏显著的代谢储备，需持续供应能量底物。星形胶质细胞以糖原形式储存化学能，并在相邻神经元活动增加时迅速激活葡萄糖代谢。已有证据表明，神经元和星形胶质细胞之间的代谢耦合对于支持控制核心行为的神经回路功能至关重要。星形胶质细胞代谢激活的一个显著特征是乳酸的生产和释放。乳酸迅速增加神经元活动响应的局部浓度，并通过从星形胶质细胞转移到神经元，为神经元功能提供代谢支持。尽管在外周组织中如肝脏和肌肉，能量消耗增加迅速通过激素如胰高血糖素（glucagon）和儿茶酚胺（catecholamines）招募细胞内葡萄糖储备并激活经典的cAMP-PKA信号通路，但在大脑中，星形胶质细胞中同样的cAMP-PKA信号通路的活动是由腺苷调控的，起到了协调大脑能量代谢和功能的关键作用。综上，该研究揭示了腺苷A2B受体作为星形胶质细胞的神经活动传感器，并表明cAMP信号在星形胶质细胞中调节大脑能量代谢，以支持其基本功能如睡眠和记忆。大脑作为人体中最复杂的器官，其功能依赖于神经元之间精密的计算和传递。这些计算和传递需要持续且充足的营养和氧气供应。然而，神经元本身缺乏显著的代谢储备，这使得它们对能量供应的依赖性极高。在这个过程中，星形胶质细胞（astrocytes）扮演了重要角色。星形胶质细胞是一种广泛存在于大脑中的胶质细胞，负责调节大脑中的葡萄糖摄取和代谢。然而，神经元与星形胶质细胞之间的代谢耦合机制尚未完全被了解。该研究旨在揭示腺苷（adenosine）通过作用于星形胶质细胞的A2B受体（A2B receptors）来调控大脑能量代谢和功能的机制。研究人员希望通过实验确定这种信号通路在神经活动依赖的星形胶质细胞代谢激活中的作用，以及其对维持突触功能、记忆和睡眠等大脑基本功能的重要性。研究团队使用了一系列的体内和体外动物模型实验，结合基因敲除技术、荧光传感器、微电极生物传感器等多种技术手段，系统地探讨了腺苷A2B受体在星形胶质细胞中的功能。在体外实验中，研究人员在培养的星形胶质细胞和脑片中，使用了基因编码的荧光传感器Epac-SH187和AKAR4，这些传感器能够检测星形胶质细胞中的cAMP和PKA活性变化。实验中，他们发现，当施加腺苷（1-10μM）时，星形胶质细胞内的cAMP和PKA活性显著增加。这一反应被腺苷A2受体拮抗剂ZM241385完全阻断，表明这种反应是由A2B受体介导的。为了进一步验证A2B受体在星形胶质细胞代谢中的作用，研究人员使用了基因敲除技术。在小鼠模型中，通过条件性敲除星形胶质细胞中的A2B受体基因，研究人员观察到这些小鼠的脑能量代谢发生了重大重编程，突触可塑性受到阻碍，识别记忆严重受损，睡眠也受到影响。研究人员采用了Adora2b flox/flox小鼠，并通过注射腺病毒载体（AAV5-Gfap-iCre-mCherry）在星形胶质细胞中表达改良的Cre重组酶，从而删除A2B受体。使用荧光显微镜确认了A2B受体的敲除效果，并使用qPCR和Western blot技术测量了基因和蛋白水平的变化。通过使用基因编码的荧光传感器FLIPglu-700μΔ6和Peredox，记录到了星形胶质细胞在ATP和腺苷刺激下的葡萄糖消耗和糖酵解速率增加。此外，通过微电极生物传感器测量了急性脑片中乳酸的释放。通过在脑片中应用不同的化学试剂，能够精确地分析这些信号通路的具体机制。

神经元活动招募星形胶质细胞中的cAMP–PKA信号通路（Credit: Nature）

星形胶质细胞的cAMP响应： 通过双光子（2P）光学记录，研究人员在海马切片中的星形胶质细胞表达Epac-SH187传感器，观察到神经元活动诱导的cAMP响应。当施加ATP时，星形胶质细胞中的cAMP水平显著增加。这表明ATP能够诱导星形胶质细胞中的cAMP产生。腺苷A2受体的作用： 在使用腺苷A2受体拮抗剂ZM241385后，ATP诱导的cAMP响应被显著抑制，表明A2受体在这一过程中发挥了关键作用。此外，直接施加腺苷（ADO）同样诱导了星形胶质细胞中的cAMP增加，但这种反应同样被ZM241385抑制。cAMP信号通路的活性： 图中显示了不同处理条件下星形胶质细胞的cAMP水平变化，包括施加ATP、AMP-PNP（非水解性ATP类似物）、腺苷和各种抑制剂。结果表明，ATP引起的cAMP响应是通过腺苷信号传导的，而不是直接通过ATP受体。腺苷A2B受体的特异性： 研究进一步验证了腺苷A2B受体的特异性作用。通过基因敲除实验，敲除星形胶质细胞中的A2B受体后，腺苷诱导的cAMP和PKA活性显著减少，而腺苷酸环化酶激活剂（如福斯可林）引起的响应则未受影响。这表明A2B受体在腺苷诱导的cAMP和PKA信号传导中起主要作用。星形胶质细胞中的基础cAMP水平： 图中还展示了在应用A2受体拮抗剂ZM241385时，海马星形胶质细胞中的基础cAMP水平显著下降。这意味着A2受体介导的cAMP信号通路在星形胶质细胞中是持续活跃的。cAMP信号通路的激活研究表明，腺苷通过A2B受体激活星形胶质细胞中的cAMP-PKA信号通路。这种激活不仅迅速提高了星形胶质细胞的葡萄糖代谢水平，还促进了乳酸的释放。具体来说，当使用腺苷（1-10μM）刺激星形胶质细胞时，cAMP和PKA的活性显著增加，而这种反应在使用A2B受体拮抗剂ZM241385后完全被阻断。基因敲除的影响在基因敲除实验中，研究人员发现敲除星形胶质细胞中的A2B受体导致了严重的代谢障碍。与对照组相比，这些小鼠表现出显著的突触功能下降，海马区的突触可塑性受到严重影响。通过行为学实验，进一步发现这些小鼠的识别记忆能力显著下降，且睡眠模式也被明显扰乱。研究还表明，A2B受体的缺失显著改变了脑内多种代谢物的水平。通过代谢组学分析，发现cAMP、乳酸等关键代谢物在A2B受体敲除小鼠的大脑中显著减少。此外，使用高效液相色谱和质谱技术，发现这些小鼠的脑内糖酵解和三羧酸循环途径受到严重影响。葡萄糖代谢和乳酸释放使用荧光传感器和微电极生物传感器，研究人员记录了星形胶质细胞在ATP和腺苷刺激下的葡萄糖消耗和乳酸释放。结果显示，腺苷和其A2B受体激动剂BAY 60-6583显著增加了乳酸的释放，而这种反应在A2B受体敲除小鼠中被完全阻断。具体数据表明，在使用1μM腺苷时，星形胶质细胞中的乳酸释放量增加了约50%，而在A2B受体敲除的小鼠中，这一反应几乎完全消失。

神经元活动依赖的星形胶质细胞cAMP–PKA信号通路的招募由腺苷A2B受体介导（Credit: Nature）

单细胞RNA测序数据的可视化：图a展示了小鼠大脑的单细胞RNA测序数据（single-cell RNA-seq data），使用UMAP方法可视化。结果显示，Adora2b基因在星形胶质细胞中特异性高表达，这表明A2B受体在星形胶质细胞中具有重要功能。不同脑细胞类型中Adora2a和Adora2b的表达：图b展示了不同脑细胞类型中Adora2a和Adora2b的表达情况。结果表明，星形胶质细胞中特异性表达Adora2b，而不表达Adora2a。这进一步支持了A2B受体在星形胶质细胞中发挥作用的观点。A2B受体敲降实验：图c描述了在Adora2b flox/flox小鼠中，通过腺病毒载体（AAV5-Gfap-iCre-mCherry）表达改良的Cre重组酶，从而敲降星形胶质细胞中的A2B受体。结果显示，敲降A2B受体后，腺苷对星形胶质细胞内cAMP和PKA活性的影响显著减弱，而腺苷酸环化酶激活剂福斯可林（forskolin）引起的反应未受影响。腺苷和腺苷A2B受体激动剂对cAMP和PKA的影响：图d和e展示了腺苷及其A2B受体激动剂BAY 60-6583对星形胶质细胞中cAMP和PKA活性的影响。结果表明，腺苷和BAY 60-6583显著增加了cAMP和PKA活性，而这种效果在A2B受体敲降后消失。不同处理条件下的cAMP峰值响应：图f总结了不同处理条件下星形胶质细胞中cAMP的峰值响应，包括腺苷、腺苷和SQ22536（腺苷酸环化酶抑制剂）、PSB 603（A2B受体拮抗剂）、SCH442416（A2A受体拮抗剂）、A2A受体激动剂CGS21680、PSB 0777和A2B受体激动剂BAY 60-6583。结果显示，A2B受体在腺苷诱导的cAMP响应中起关键作用，而A2A受体则不起作用。PKA活性的变化：图g展示了在A2B受体敲降条件下，腺苷和福斯可林对星形胶质细胞中PKA活性的影响。结果表明，A2B受体的缺失显著减少了腺苷诱导的PKA活性变化，而福斯可林诱导的响应未受影响。CA1区星形胶质细胞中的cAMP和PKA活性变化：图h和i展示了在药理学或基因阻断A2B受体条件下，CA1区星形胶质细胞中cAMP和PKA活性的变化。通过刺激Shaffer侧支纤维，研究人员观察到cAMP和PKA活性增加，而这种增加在阻断A2受体或A2B受体基因删除后被显著抑制。神经活动依赖的cAMP–PKA信号传导示意图：图j提供了一个示意图，总结了腺苷通过A2B受体介导的神经活动依赖的星形胶质细胞cAMP–PKA信号传导机制。腺苷A2B受体作为能量传感器该研究首次明确了腺苷A2B受体在星形胶质细胞中作为能量传感器的作用。通过cAMP-PKA信号通路，A2B受体可以快速响应神经元的能量需求，调节星形胶质细胞的葡萄糖代谢和乳酸释放。这一机制为理解大脑能量代谢提供了新的视角。星形胶质细胞在大脑代谢中的角色研究进一步强调了星形胶质细胞在大脑能量代谢中的关键角色。通过储存和释放乳酸，星形胶质细胞不仅在神经元活动增加时提供迅速的能量补充，还在维持整体脑能量平衡中发挥重要作用。这一发现为开发新的治疗神经退行性疾病的方法提供了新的潜在靶点。潜在的临床应用这些发现为神经退行性疾病（neurodegenerative diseases）的治疗提供了新的思路。例如，通过调控星形胶质细胞中的A2B受体，可能有助于改善阿尔茨海默病（Alzheimer's disease）和其他以能量代谢障碍为特征的疾病患者的症状。未来的研究可以进一步探讨A2B受体在其他神经胶质细胞中的作用，以及其在不同病理状态下的表现，为开发新型治疗方法奠定基础。该研究通过系统的实验和数据分析，揭示了腺苷A2B受体在星形胶质细胞中的重要功能。这些发现不仅深化了我们对大脑能量代谢机制的理解，也为相关疾病的治疗提供了新的潜在靶点。未来的研究可以进一步探讨A2B受体在其他神经胶质细胞中的作用，以及其在不同病理状态下的表现，为开发新型治疗方法奠定基础。

参考文献

Theparambil SM, Kopach O, Braga A, Nizari S, Hosford PS, Sagi-Kiss V, Hadjihambi A, Konstantinou C, Esteras N, Gutierrez Del Arroyo A, Ackland GL, Teschemacher AG, Dale N, Eckle T, Andrikopoulos P, Rusakov DA, Kasparov S, Gourine AV. Adenosine signalling to astrocytes coordinates brain metabolism and function. Nature. 2024 Jul 3. doi: 10.1038/s41586-024-07611-w. Epub ahead of print. PMID: 38961289.https://www.nature.com/articles/s41586-024-07611-w

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