PFKFB3基因调控胶质细胞糖酵解途径参与缺血性脑卒中发生的作用机制研究

Astrocyte and microglia provide the substrate to the aerobic metabolism of neuron by normal glycolysis, PFKFB3 is an important enzyme which modulates the glycolysis in glial cells. Recent reports have shown enhanced glycolysis was neuroprotective in the crisis of energy metabolism caused by cerebral ischemic stroke, the effect is relative to expression of PFKFB3 and activation of glial cells, but the mechanism is still unclear. In our previous study, we found the infarct size of PFKFB3 knockout mice after photochemically induced cerebral ischemia was significantly increased compared to the wild-type mice, the increase of apotosis of neurons and the abnormal activation of astrocytes and microglias were easily observed in the lesion location. Therefore, we speculate PFKFB3-mediated glycolysis participates in regulating activation of glial cells in cerebral ischemic stroke, and then affects energy support of glial cells. In this study, we will utilize astrocyte-specific, microglia-specific and astrocyte-microgila-specific PFKFB3 knockout mice to evaluate clinical and pathological characteristics, apotosis of neuron, activation of glial cells and key targets and products of glycolysis in photothrombotic ischemia mice model. The expected results may reveal neuroprotective mechanism of PFKFB3 in cerebral ischemic stroke, which will provide the theoretical basis for development of neuroprotective drugs.

星形胶质细胞和小胶质细胞的糖酵解途径是神经元进行有氧代谢的底物来源，PFKFB3是促进两种胶质细胞糖酵解的关键酶。已报道，增强糖酵解能够缓解缺血性脑卒中引起的能量危机并降低神经元死亡，该过程与PFKFB3表达提升和两种胶质细胞活化状态相关，但具体作用机制不清。我们前期研究也发现，PFKFB3敲除小鼠缺血性脑卒中梗死面积增大，神经元凋亡增多，两种胶质细胞呈现异常活化。结合已有研究，我们推测在缺血性脑卒中发生时，PFKFB3可能通过介导糖酵解途径改变星形胶质细胞和/或小胶质细胞活化状态，进而影响两种胶质细胞对神经元的能量支持作用。因此，本项目将利用两种胶质细胞分别或同时敲除PFKFB3小鼠，在缺血性脑卒中模型下，比较疾病的临床病理特征、神经元凋亡、胶质细胞活化及糖酵解关键调控靶点和产物的差异，揭示PFKFB3在缺血性脑卒中神经保护方面的作用机理，为神经保护药物研究提供理论基础。

脑卒中是严重威胁人类健康的重大慢病，与心血管疾病、癌症成为全世界人口死亡的三大疾病之一。根据脑卒中发病机制的不同，可分为出血性和缺血性两种，其中缺血性脑卒中占整个卒中发病率的70%-75%，而能量代谢失衡是缺血性脑卒中引起神经元死亡的重要原因之一。糖酵解产物丙酮酸和乳酸是细胞进行有氧代谢获得ATP的底物来源，而PFKFB3是糖酵解过程中的关键限速酶，先前的报道显示，神经元中高表达PFKFB3的泛素化降解酶，导致神经元无法进行糖酵解，胶质细胞是神经元获得有氧代谢底物的重要来源，而该功能与胶质细胞活化状态相关。在本研究中，我们通过建立细胞特异性敲除PFKFB3小鼠并构建光化学诱导小鼠脑梗模型，对小鼠临床病理表型、脑卒中部位细胞分布、及神经细胞凋亡情况进行比较分析发现，PFKFB3缺失可促进星形胶质细胞活化，加速胶质瘢痕形成并包裹梗死灶，防止脑梗死区域扩大，进而保护半暗带神经元减少神经元凋亡。针对上述表型，我们对小鼠脑卒中部位两种胶质细胞活化状态进行检测，并分析糖酵解途径关键产物，同时，利用免疫荧光共染技术，对PFKFB3相关的糖酵解途径中的关键靶点进行分析，发现特异性抑制星形胶质细胞PFKFB3后可降低脑梗死周边区域促炎症细胞因子IL-6表达，促进星形胶质细胞向抑炎性方向极化，并抑制小胶质细胞向促炎性方向极化，从而保护脑组织因急性炎症引起的过度损伤；同时，星形胶质细胞PFKFB3敲除后，可能调控能量代谢上游以AMPKα1为代表的感应原件，代偿性增强脑梗死灶周围能量代谢水平，从而实现神经保护功能。目前，我们已经将小鼠脑组织外送开展单细胞测序研究，以期明确星形胶质细胞PFKFB3敲除后，对脑组织中其它细胞如神经元、小胶质细胞代谢状态的影响，阐明PFKFB3介导的糖酵解通路在脑相关疾病发生中的细胞分子机制，为后期开展脑梗的药物作用靶点研究提供理论基础。