O-GlcNAc糖基化修饰途径介导葡萄糖毒性致tau蛋白过度磷酸化的分子机制及其神经网络特征

Several studies have demonstrated that tau protein hyperphosphorylation induced by glucose toxicity was involved in cognitive impairment in type 2 diabetes mellitus (T2DM). Our previous studies further showed that hyperglycemia could lead to the abnormal pathway of O-linked N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) glycosylation, and lead to significant increase of some tau protein loci phosphorylation, while the exact mechanism is uncertain. This study first detected brain O-GlcNAc glycosylation, key enzymes of O-GlcNAc glycosylation and tau protein phosphorylation levels in appearance of cognitive impairment using the spontaneous T2DM model of KK-Ay mice. In vitro, the effect of O-GlcNAc glycosylation on tau protein phosphorylation levels were examined by altering O-GlcNAc glycosylation levels with plasmids transfection. In vivo, resting-state functional magnetic resonance imaging (fMRI) data of the enrolled subjects were collected and compared, and then the correlations of neural network features with blood glucose and O-GlcNAc glycosylation levels were analyzed to clarify the neural network characteristics of abnormal O-GlcNAc glycosylation pathways induced by glucose toxicity. Based on the progresses of our previous works, the current study was aimed to determine the molecular mechanisms of tau protein hyperphosphorylation induced by glucose toxicity, to warn diabetes-related cognitive deficits early in combination with imaging characteristics, and to provide reliable theoretical evidences for early prevention and treatment.

研究表明，葡萄糖毒性作用致tau蛋白过度磷酸化参与2型糖尿病(T2DM)认知障碍的发生、进展。我们前期进一步发现高血糖致O-GlcNAc糖基化途径异常，进而使部分tau蛋白位点磷酸化水平显著增高，机制尚不明确。本研究首先以自发T2DM模型KK-Ay小鼠为研究对象，观察其出现认知障碍时脑内tau蛋白O-GlcNAc糖基化及关键酶、磷酸化水平；细胞层面，则通过构建质粒等方式改变O-GlcNAc糖基化修饰水平，观察其后对tau蛋白磷酸化的影响；在体层面，分层收集、比较临床病例静息态功能磁共振(fMRI)数据，并与血糖、O-GlcNAc糖基化水平作相关分析，以明确高血糖致O-GlcNAc糖基化修饰异常的神经网络特征。本研究在前期工作取得进展的基础上，旨在明确葡萄糖毒性致tau蛋白过度磷酸化的分子机制，并结合在体影像学特征以期早期预警糖尿病认知障碍，为其有效防治提供可靠的理论依据。

背景：葡萄糖毒性作用致tau蛋白过度磷酸化参与2型糖尿病(T2DM)认知障碍的发生、进展。我们前期进一步发现高血糖致O-GlcNAc糖基化途径异常，进而使部分tau蛋白位点磷酸化水平显著增高，机制尚不明确。本研究在前期工作取得进展的基础上，旨在明确葡萄糖毒性致tau蛋白过度磷酸化的分子机制，以期早期预警糖尿病认知障碍，为其有效防治提供可靠的理论依据。..内容：本研究首先在体层面，分层收集、比较临床病例，并与血糖、tau蛋白、O-GlcNAc糖基化水平作相关分析，以明确高血糖致O-GlcNAc糖基化修饰异常的特征。其次，以自发T2DM模型KK-Ay小鼠为研究对象，观察其出现认知障碍时脑内tau蛋白O-GlcNAc糖基化及关键酶、磷酸化水平；最后，在细胞层面，通过构建质粒等方式改变小鼠源性神经元细胞（HT22）O-GlcNAc糖基化修饰水平，观察其后对tau蛋白磷酸化的影响，以及进一步探究高糖毒性条件下BV2小胶质细胞O-GlcNAc糖基化修饰对炎症因子的影响；..重要结果：O-GlcNAc/p-T212 比值降低与 T2DM 轻度认知功能障碍、尤其与记忆功能障碍有关。DACD小鼠表现出明显的肥胖、高胰岛素血症、高血糖和学习记忆功能受损，在海马组织中O-GlcNAc 糖基化水平降低，而tau蛋白Ser396、Ser404、 Thr212和Thr231表达增加，且在AGEs处理的HT22细胞中表达也增加。而格列美脲降低血糖治疗改善了DACD小鼠的这些异常，并提高了O-GlcNAc转移酶(OGT)水平。在HT22细胞中转染OGT质粒部分逆转了AGEs诱导的O-GlcNAc 糖基化水平降低和tau磷酸化水平升高。在BV2细胞中可通过促进 O-GlcNAc 糖基化修饰，上调 OGT 水平抑制NF-κB p65 信号通路介导的炎症反应。..科学意义：我们的研究表明，O-GlcNAc/p-T212 比值降低与 T2DM 轻度认知功能障碍、尤其与记忆功能障碍有关。在体内和体外，高血糖通过下调OGT介导的O-GlcNAc 糖基化进而诱导tau蛋白过度磷酸化，从而导致糖尿病认知功能障碍，且O-GlcNAc 糖基化在神经炎症中可能发挥作用，需要进一步深入探究，我们的研究结果为糖尿病认知障碍的发病机制提供了新的见解。另外，这些发现需要进一步设计的大样本临床研究来证实。