Omledning af glukose- og lipidmetabolisme induceret af G-proteinkoblet receptor 17-dæmpning muliggør overgangen af ​​oligodendrocyt-progenitorer til myeliniserende celler

4. Diskussion

I de senere år har adskillige undersøgelser fremhævet relevansen af ​​GPR17 i OL-differentiering, hvilket validerer denne receptor ikke kun som en markør for et præcist modningstidsvindue (dvs. O4pluspræ-OL mellemtrin), men viser, at den også fungerer som ennøgleregulator for OPC-differentiering[12,19]. Især under fysiologisk differentiering,efter OPC-mellemstadier skal GPR17 dæmpes for at tillade cellers terminale modning, en hændelse, der sandsynligvis sker gennem både nedregulering/internalisering af membranreceptorkomplekser og nuklear undertrykkelse af gpr17-gentransskription [37,40]. Defekt GPR17-dæmpning, dvs. enhver tilstand, der fører til vedvarende GPR17-afvigende ekspression (såsom dem, der observeres ved adskillige neurodegenerative tilstande forbundet med demyelinisering), blokerer celler i umodne stadier og bidrager til remyeliniseringsdefekter [15,41]. Dette har ført til den hypotese, at den rettidige GPR17-dæmpning fungerer som et "grønt signal" for at fremme effektiv myelinisering ved at favorisere metaboliske og biokemiske processer, der er nødvendige for cellemodning [13]. Imidlertid er karakteren og den præcise efterfølger af begivenhederne aktiveret af GPR17-dæmpning stadig ukendt. Her adresserede vi dette hul ved først at udføre en hel transkriptomisk analyse på OPC'er under normale forhold og efter at efterligne GPR17-nedregulering ved siRNA-teknologi, efterfulgt af en analyse af datasættet af differentielt udtrykte gener ved pathway- og ontologi-baserede tilgange. Denne indledende analyse foreslog ændringer af forskellige måder og biologiske processer kendt for deres betydning i modningen af ​​OL'er, herunder mTOR- og Wnt-signalvejene, cytoskeletomdannelse og regulering af energi- og OPC-metabolisme.

KLIK HER FOR AT FÅ CISTANCHE FOR NEURODEGENERATIVE SYGDOMME

Målrettet metabolomisk analyse under OPC-differentiering og efter GPR17-silencing gav os mulighed for at få indsigt i den mulige sammenhæng mellem GPR17-ekspression og OPC-metabolisme. I tidlige OPC'er, hvor GPR17-ekspression stadig er fysiologisk lav, viste celler høje niveauer af metabolitter tilhørende Krebs-cyklussen, som var meget mindre rigelige på senere tidspunkter, hvilket indikerer deres forbrug til at producere andre nøglemetabolitter. Dette er i overensstemmelse med litteraturdata, der viser, at OPC'er er mere metabolisk aktive end OL'er, og at ATP-produktion i OPC'er fra gnavere overvejende er afhængig af oxidativ phosphorylering [7]. På mellemstadier (fra DID 1 til DID 3) viste præ-OL'er en markant opregulering af molekyler involveret i fedtsyre- og kolesterolsyntese, såsom acetyl-CoA (der repræsenterer forløberen for kolesterol og fedtsyrer) og malonyl-CoA (a specifikt mellemprodukt af fedtsyresyntese). Disse ændringer faldt perfekt sammen med timingen af ​​GPR17-ekspression i OPC'er, som er meget lav på dag 0, når OPC'er induceres til at forlade cellecyklussen og starte differentiering og gradvist når sit maksimale udtryk ved DID 3, når pre -OL'er har allerede nedreguleret metabolitter involveret i cellecyklussen og opregulerer molekyler relateret til fedtsyresyntese. Globalt indikerer disse data, at når GPR17 når sin maksimale ekspression, bruger præ-OL'er hovedsageligt glucose og aminosyrer til at opretholde kolesterol- og fedtsyrebiosyntese. Det er værd at bemærke, at det på trods af aerob glykolyse, der genererer ATP med mindre effektivitet end oxidativ phosphorylering, producerer de kulstofkædeforstadier, der er nødvendige for at understøtte protein- og lipidbiosyntese til myelinproduktion [42], begrænser produktionen af ​​ROS og fremmer produktionen af ​​langlivede lipider, som kræves af OL myelin [7]. Vi observerede også nedsatte niveauer af AMP og ADP fra dag 0 til DID 5 og en forbigående stigning i ATP mellem DID 1 og 3. Disse data er fuldt ud kompatible med GPR17-ekspression og dets konsoliderede rolle i reguleringen (sammen med andre GPCR'er) den intracellulære produktion af cyklisk AMP (cAMP) fra ATP under OL-differentiering [13,43,44]. Når GPR17-ekspression begynder at stige (DID 1 til 3), fremmer endogene ligander en gradvis forøgelse af aktiviteten af ​​det receptorkoblede Gi-protein, hvilket igen reducerer produktionen af ​​cAMP [12], hvilket resulterer i øgede intracellulære niveauer af ATP (her fungerer som substratet for adenylylcyclase til cAMP-syntese), samtidig med de øgede niveauer af lipidbiosyntesemetabolitter (acetyl-CoA og malonylCoA). Disse data er også i overensstemmelse med konceptet om, at anabolsk metabolisme (såsom lipidsyntese) normalt forekommer i gunstig energistatus.

Efter GPR17-dæmpning tyder resultater fra vores metabolomiske analyse på en omfattende omledning af OPC-metabolisme. Vi observerede ændringer i mængden af ​​mellemprodukter i Krebs-cyklussen, såsom fumarat, malat og citrat (udgangssubstratet for syntesen af ​​lipider og kolesterol) og af andre metabolitter beskrevet i litteraturen for deres kritiske rolle i OL-overlevelse og differentiering , såvel som i myelinsyntese, såsom kreatin, taurin og laktat [39,45,46]. På trods af at disse ændringer alle er potentielt interessante, besluttede vi at fokusere vores analyser på laktats rolle, baseret på tidligeredata, der implicerer det i OL cellulær metabolisme, differentiering og myelinisering [4,47], såvel som i kommunikation med nærliggende neuroner og glia [48]. Analyse af intracellulær laktatoverflod under OPC fysiologisk differentiering viste kinetik efter den for GPR17 (høje niveauer på mellemstadier, lave niveauer under de indledende og afsluttende stadier), hvorimod efter GPR17 silencing faldt laktatniveauer for tidligt og nåede et minimum på mellemstadier. Forholdet mellem GPR17-ekspression og laktatoverflod er tidligere blevet observeret i nyere undersøgelser, hvor en stigning i glykolyse og laktatproduktion, sekundært til ændringen af ​​cAMP-PKA-PDK1-aksen, er blevet fundet i OL'er, der stammer fra GPR17-knock-out-dyr [49]. Ifølge dette viste vores mikroarray-analyse på GPR17-dæmpede OPC'er opreguleringen af ​​gener forbundet med glykolyse og laktatproduktion (PFK, PDK1, LDH); på den anden side viste vores metaboliske data imidlertid en reduktion i lactat intracellulære niveauer. For at kaste lys over disse tilsyneladende modstridende resultater evaluerede vi frigivelsen af ​​denne metabolit i dyrkningsmediet. Forøgede laktatniveauer blev fundet på samme tidspunkter, hvor der blev fundet nedsatte laktatkoncentrationer i cellernes cytoplasma, hvilket tyder på frigivelsen af ​​denne metabolit ekstracellulært, og at GPR17 i OL'er kunne spille en vigtig rolle i transporten af ​​energimetabolitter til neuronale celler. Denne hypotese bekræftes af et nyligt fund, der viser, at i GPR17 knockout-mus kan øgede laktatniveauer i miljøet af hypothalamus-neuroner modulere neuronal aktivitet gennem aktivering af AKT- og STAT3-vejene [49]. Baseret på disse beviser spekulerer vi i, at en lignende mekanisme kan gælde for taurin og kreatin, som er kendt for at regulere myeliniseringsprocessen positivt [45,46], og hvis intracellulære niveauer faktisk er reduceret i GPR17-silented OPC'er. Det er værd at bemærke, at det er blevet vist, at neuroner ikke udtrykker de enzymer, der er ansvarlige for syntesen af ​​disse metabolitter, hvilket tyder på, at de kun kan stamme fra nabogliaceller [50,51]. 

OL'ers evne til at importere laktat eller frigive det ekstracellulært medieres af monocarboxylattransporter 1 (MCT1), der er ansvarlig for den passive transport af laktat og brint mod cytoplasmaet eller det ekstracellulære miljø som reaktion på dets koncentrationer i de to kompartmenter [47,52]. På trods af in vivo-observationer, der indikerer, at manglen på MCT1 i OL'er og deres forfædre i den tidlige postnatale periode og i den tidlige voksenalder ikke påvirker myelinisering, muligvis på grund af tilgængeligheden af ​​andre energimellemprodukter såsom glucose, under voksenalderen, tab af MCT1 fører til axonopati og hypo-myelinisering, hvilket viser den essentielle rolle, som monocarboxylsyrer spiller i den energiske homeostase af OL'er [53]. I vores undersøgelse var stigningen i ekstracellulært laktat observeret efter GPR17-silencing forbundet med accelereret modning, hvilket øgede muligheden for, at laktat frigivet af modne OL'er kan optages af umodne OL'er for at forbedre deres modning på en autokrin måde. For at vurdere denne hypotese blokerede vi laktatfrigivelse ved at udsætte GPR17-dæmpede OPC'er for en selektiv MCT1-hæmmer. Reduktion af lactatudstrømning resulterede faktisk i nedsat OPC-modning, hvilket tyder på, at GPR17-nedregulering kunne fremme frigivelsen af ​​lactat ekstracellulært og dermed udbrede modningsprocessen til nærliggende celler. Derfor har nyere undersøgelser vist, at laktat direkte kan fremme cellecyklushastigheden og differentieringen af ​​OPC'er [39]. 

Ekspressionsændringerne observeret efter GPR17-silencing antydede også en potentiel forbindelse mellem GPR17-ekspression og aktiveringen af ​​lipid- og kolesterolsynteseveje. Blandt de mest relevante ændringer fandt vi et øget udtryk for LXR og dets målgener, SREBP1c, ABCG1 og ABCA1. LXR's evne at fremme celledifferentiering i OL'er er blevet demonstreret in vivo efter lysolecithin-induceret demyelinisering: LXR aktivering af både naturlige (dvs. oxysteroler) og syntetiske agonister fremmede remyelinisering af områder påvirket af demyeliniserende skade [54]. Oxysteroler er også pro-inflammatoriske molekyler, der er i stand til at aktivere flere G-proteinkoblede receptorer, herunder GPR17 [55], hvis evne til at reagere på nødsignaler relateret til oxidativt stress, neuroinflammation og neurodegeneration er almindeligt kendt. Ekspressionsændringer af de ovenfor beskrevne transskriptionsfaktorer er også nødvendige for reorganiseringen af ​​lipidmetabolismen, der sker under modningen af ​​OL'er [56], hvilket tillader disse celler at øge syntesen afspecifikke lipidklasser og gradvist ændre sammensætningen af ​​deres plasmamembran [2]. Dette skift karakteriserer overgangen fra OPC'er til modne OL'er; for eksempel er det blevet vist, at nogle myelin-specifikke glycosphingolipider begynder at blive produceret i nærheden af ​​terminal differentiering og opretholdes i modne myeliniserende OL'er [57]. Vores lipidomiske data tyder på, at GPR17-ekspression direkte kan påvirke mængden af ​​myelin-specifikke lipider, såsom ceramider og sphingomyeliner. Den korrekte balance mellem syntese og nedbrydning af sphingolipider har vist sig at spille en afgørende rolle i at opretholde myelinintegritet [58,59]. Desuden opdagede vi, at GPR17 knockdown ved DID 5 førte til nedsatte niveauer af flere diacyl-PC'er og diacyl-Pes, som er de vigtigste arter repræsenteret i myelinmembranen som rapporteret i litteraturen [60–62]. Konstateringen af, at disse lipider kan spille en rolle i at stabilisere introperioden af ​​myelin [61] understøtter yderligere GPR17's nøglerolle som en nøglespiller i bestemmelsen af ​​myelinsammensætning og funktion. På trods af nedsatte niveauer af diacyl-PC'er og diacyl-PE'er fandt vi også øgede niveauer af adskillige plasmalogener (dvs. acyl-alkyl-PC) efter GPR17-depletering ved DID5. Disse PC-afledte plasmalogener er blevet foreslået som beskyttende midler i myelin, da de forhindrer membranlipidperoxidation af reaktive oxygenarter [63,64]. De beskyttende virkninger af plasmalogener er blevet tilskrevet hydrogenatomet, der støder op til vinyletherbindingen. Faktisk kan dette hydrogenatom være mere modtageligt for oxidation med hensyn til esterbindingen til stede i diacyl-PC'er og diacyl-PE'er [63,64]. Endvidere deltager myelinplasmalogener i membrandannelse og/eller i vedligeholdelse [65,66]. Baseret på vores resultater konkluderer vi, at GPR17 også er vigtig til at regulere balancen mellem diacyl-PC og diacyl-PE og deres respektive plasmalogener for at sikre den optimale struktur og funktion af myelin. Det bør dog overvejes, at plasmalogener kan øges uden GPR17 som en beskyttende mekanisme i betragtning af deres antioxidantrolle. Ændring i myelinlipider er også blevet beskrevet hos diabetiske rotter [62], der ligger til grund for en sammenhæng mellem glukosemetabolisme og myelinisering. Det er blevet rapporteret, at sygdomme karakteriseret ved dysregulering af lipid- eller glucosemetabolisme (dvs. dyslipidæmier og diabetes) er forbundet med højere MS-risiko [67,68], selvom de nøjagtige patogenetiske mekanismer, der forbinder disse metaboliske dysfunktioner med MS, stadig i vid udstrækning diskuteres. Desuden afslørede den massespektrometriske analyse en øget forekomst af fosfolipider og en reduktion i sphingolipidindhold i det normalt forekommende hvide stof (NAWM) hos forsøgspersoner med aktiv MS [69], hvilket tyder på, at specifikke metaboliske ændringer kan forekomme før starten af ​​demyeliniserende læsioner. Det skal bemærkes, at vi i et tidligere studie har vist, at MS-patienters NAWM udviser den højeste overflod af GPR17--udtrykkende celler sammenlignet med MS-læsioner og med WM hos raske forsøgspersoner [20].

Vores undersøgelse er den første, der viser involveringen af ​​GPR17-nedregulering i omledning af OPC-metabolisme under differentiering, men nogle begrænsninger/forbehold bør tages i betragtning. For det første brugte vi i denne undersøgelse primære kulturer, som i sammenligning med cellelinjer har både fordele og ulemper. På trods af at primære OL'er er mere tilbøjelige til at nå det myeliniserende stadium, kan data opnået ved hjælp af disse celler have højere variabilitet på grund af det faktum, at OPC'er ikke er synkroniserede, og derfor følger de lidt forskellig modningskinetik in vitro mellem uafhængige eksperimenter. For at løse dette problem anvendte vi imidlertid en analysemetode, der identificerer prøver, der afviger i deres metabolomiske profil fra andre prøver af samme gruppe, hvilket tillader omfordelingen til den rigtige gruppe. For det andet brugte vi en målrettet metabolomisk tilgang, der gjorde det muligt for os at samle flere metabolitniveauer og ændringer i repræsentative metaboliske veje. Som sådan kan en omfattende ikke-målrettet metabolomisk analyse (uden a priori definition af metabolitter, der skal påvises) være yderligere informativ om andre metabolitter, der ikke er taget i betragtning i vores målrettede metabolomik, og dermed generere nye arbejdshypoteser på området. For det tredje, selvom vores undersøgelse repræsenterer et betydeligt fremskridt i forståelsen af ​​GPR17's rolle i OPC-modning, er der fortsat behov for yderligere arbejde for at vurdere relevansen af ​​de metaboliske ændringer induceret af dens nedregulering i patologiske tilstande. I denne sammenhæng vil fremtidige undersøgelser være rettet mod at vurdere, om GPR17-modulation kan udnyttes til at forbedre OL-metabolisme under demyelinisering/remyeliniseringsdynamik i dyremodeller af MSog om GPR17-dysregulering kan korrelere med specifikke metaboliske ændringer i humane MS-læsioner og i NAWM.

Samlet tyder vores resultater på, at GPR17-receptoren kan fungere som et kontrolpunkt, der er nødvendigt forhæmmer tidlig myelinisering og opretholder cellernes reaktivitettil ekstracellulære signaler ogfremhæve inddragelsen af ​​GPR17-nedreguleringikoordinering af energiogomlægning af lipidmetabolismekræves for OPC-modning, hvilket giver vigtige tip ombioaktive metabolitteroglipider reguleretaf receptoren. Baseret på vores tidligere data om ændringer af GPR17-ekspression i MS-patogenese og remyelineringssvigt, foreslår vi, at disse funktionelle og mekanistiske indsigtery inspirere til nye farmakologiske og terapeutiske tilgangeforhelbredelse af neurodegenerative sygdomme. 

Referencer

1. Butt, AM; Papanikolaou, M.; Rivera, A. Fysiologi af Oligodendroglia.Adv. Exp. Med. Biol.2019, 1175, 117–128. [CrossRef] [PubMed] 

2. Nave, KA; Werner, HB Myelinisering af nervesystemet: Mekanismer og funktioner.Annu. Rev. Cell Dev. Biol.2014, 30, 503–533. [CrossRef] [PubMed]

3. Narine, M.; Colognato, H. Aktuel indsigt i oligodendrocytmetabolisme og dens kraft til at forme myelinlandskabet.Foran. Celle. Neurosci.2022, 16, 892968. [CrossRef] 

4. Tepavcevic, V. Oligodendroglial energimetabolisme og (gen)myelinisering.Liv2021, 11, 238. [CrossRef] [PubMed] 

5. Rao, VTS; Khan, D.; Cui, QL; Fuh, SC; Hossain, S.; Almazan, G.; Multhaup, G.; Healy, LM; Kennedy, TE; Antel, JP Distinkte alders- og differentieringstilstandsafhængige metaboliske profiler af oligodendrocytter under optimale og stressforhold.PLoS ONE2017, 12, e0182372. [CrossRef] 

6. Schoenfeld, R.; Wong, A.; Silva, J.; Li, M.; Itoh, A.; Horiuchi, M.; Itoh, T.; Fornøjelse, D.; Cortopassi, G. Oligodendroglial differentiering inducerer mitokondrielle gener, og inhibering af mitokondriel funktion undertrykker oligodendroglial differentiering.Mitokondrien2010, 10, 143–150. [CrossRef] 

7. Rone, MB; Cui, QL; Fang, J.; Wang, LC; Zhang, J.; Khan, D.; Bedard, M.; Almazan, G.; Ludwin, SK; Jones, R.; et al. Oligodendrogliopati ved multipel sklerose: Lav glykolytisk metabolisk hastighed fremmer oligodendrocytoverlevelse.J. Neurosci.2016, 36, 4698–4707. [CrossRef]

Spørg for mere:

E-mail:wallence.suen@wecistanche.com

Whatsapp/Tlf: plus 86 15292862950

BUTIK:

https://www.xjcistanche.com/cistanche-shop