神经元磷酸戊糖途径缺失导致体内NADPH水平降低与氧化应激加剧，从而引发神经退行性变

《Journal of Physiology》：Neuronal loss of the pentose phosphate pathway in the living nervous system is causally linked to [NADPH] reduction and elevated oxidative stress

本综述利用果蝇模型，在活体组织内首次直接证实了神经元磷酸戊糖途径（PPP）对维持NADPH水平和活性氧（ROS）稳态的关键作用。研究发现，特异性敲低神经元PPP会引发进行性神经退行性变及昼夜节律紊乱，且该表型可通过饮食抗氧化剂（维生素C和E）挽救。通过基因编码的NADPH（iNap1）和H2O2（HyPerRed）生物传感器进行活体成像，研究直接观察到PPP缺失导致神经元内NADPH水平降低，并伴有H2O2水平升高，从而在分子层面明确了PPP-NADPH-ROS之间的因果链，为理解神经元代谢与氧化应激平衡、及神经退行性疾病的潜在机制提供了重要依据。

　　

引言：神经元能量代谢的耦合与氧化挑战

神经元是高度特化的细胞，其功能需要大量能量支持。胶质细胞为神经元提供代谢支持，包括通过星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭（ANLS）假说，将糖酵解产生的乳酸提供给神经元，用于维持其高氧化代谢。有趣的是，在果蝇中，尽管神经元糖酵解可以缺失，但它们仍然摄取葡萄糖。一种假说认为，神经元中的葡萄糖可能主要通过磷酸戊糖途径（PPP）而非糖酵解进行代谢，以产生还原当量NADPH，从而应对高氧化代谢产生的活性氧（ROS）并防止氧化损伤。然而，PPP活性、NADPH浓度与ROS清除之间在活体神经系统中的直接因果联系此前尚未得到证实。本研究旨在探究神经元PPP在维持NADPH水平和ROS稳态中的重要性。

结果一：神经元PPP敲低诱发可被抗氧化剂挽救的进行性神经退行性变

为了验证PPP在应对氧化应激中的必要性，研究团队在成年果蝇神经元中特异性敲低了PPP中负责NADPH生成的两个关键酶基因：葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6Pdh）和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（Pgd）。为避免发育缺陷，研究者使用了TARGET系统，确保仅在果蝇羽化后诱导RNA干扰表达。通过分析成年果蝇大脑视叶的半薄切片以及全脑N-钙黏蛋白（N-cadherin）染色，他们发现PPP敲低会导致视叶中出现更多的“空洞”，这是神经退行的标志。随着果蝇年龄增长（从15天到30天），这种表型愈发明显，表明PPP缺失具有进行性影响。

更重要的是，当将果蝇饲养在添加了抗坏血酸（维生素C，0.36 mM）和α-生育酚（维生素E，0.46 mM）的抗氧化食物上30天后，PPP敲低诱导的神经退行性变得到了显著改善。这表明，神经元PPP缺失引发的神经退行性变确实是由氧化应激加剧所驱动。

结果二：PPP缺失导致最大活动能力下降和昼夜节律紊乱

神经退行性变通常伴随行为学异常。研究者进一步监测了PPP敲低果蝇在15天和30天龄时的自主活动。在15天时，对照组与PPP敲低组之间无明显差异。然而，到30天时，PPP敲低果蝇的最大活动能力（傍晚活动高峰）显著降低，并且在休息时段（如午休和夜间）的活动增加。这表明，进行性神经退行不仅影响了运动能力，也可能影响了控制昼夜节律的时钟神经元功能，导致节律性丧失。此结果与此前通过药物系统性抑制PPP的研究报道一致，提示PPP在维持正常神经元功能和昼夜节律中扮演着重要角色。

结果三：利用基因编码传感器在活体组织中揭示PPP缺失、NADPH降低与H₂O₂升高之间的因果链

为在分子层面直接建立联系，研究团队构建了表达NADPH生物传感器iNap1和H₂O₂生物传感器HyPerRed的果蝇品系，实现了在活体组织中对这两种代谢物的实时成像。

首先，在幼虫眼盘（发育中的神经元组织）中，研究者验证了传感器的功能。通过施加氧化剂（CHP）或外源NADPH，他们确认iNap1能够可靠地反映细胞内NADPH水平的变化。接着，他们比较了PPP敲低与对照眼盘的代谢物水平。由于iNap1的K_D值很低（~2 μM），在基线条件下可能接近饱和，因此研究者采用了将基线值与施加CHP（降低NADPH）和NADPH（升高NADPH）后的荧光变化进行归一化的策略。分析显示，Pgd敲低显著降低了细胞内的NADPH基线水平，G6Pdh敲低也显示出降低趋势。为确保结果非pH变化所致，研究者还证实了PPP敲低并未影响细胞pH。

与此同时，使用HyPerRed传感器的成像结果显示，G6Pdh敲低显著升高了幼虫眼盘神经元中的基础H₂O₂水平，Pgd敲低也显示出升高趋势，且使用第二个独立的Pgd dsRNA构建体证实了该趋势的显著性。这些数据首次在活体神经元组织中直接证明，PPP功能缺失导致NADPH水平下降，并进而引起H₂O₂积累。

结果四：成年脑神经元中PPP缺失同样降低NADPH并诱导氧化损伤

为了研究PPP在完全分化的成年脑神经元中的作用，研究者在成年果蝇所有神经元中共表达iNap1和HyPerRed传感器，并在诱导PPP敲低5天后，对离体成年大脑的触角叶进行了多参数成像。结果显示，Pgd敲低导致神经元NADPH水平显著降低，G6Pdh敲低也显示出降低趋势。有趣的是，在此较年轻的动物（5天敲低）中，并未同时检测到H₂O₂水平的同步升高，这可能是因为GSH池的耗竭和H₂O₂的积累需要更长时间。研究还发现，在年龄更大的PPP敲低动物中，传感器荧光完全消失，而在对照动物中则不明显，提示长期的氧化还原失衡可能损害了传感器蛋白本身的功能。

为了评估更长期PPP敲低后的氧化损伤，研究者检测了20天龄果蝇脑中的氧化脂质水平（通过4-HNE染色）。结果显示，G6Pdh敲低导致了氧化脂质水平的显著升高，表明存在ROS应激，而Pgd敲低则未诱导此表型，提示两种酶敲低可能存在表型差异。总之，这些数据表明，PPP对于维持成年神经元中稳定的NADPH水平和氧化还原平衡是必需的。

讨论与意义

本研究在活体神经系统中首次提供了直接证据，表明磷酸戊糖途径是细胞NADPH水平的主要贡献者，并且NADPH水平的降低伴随着细胞内H₂O₂水平的升高，从而导致氧化还原失衡。研究者展示的神经退行性变相对温和，可能因为细胞中还存在其他NADPH来源（如苹果酸酶、异柠檬酸脱氢酶）的代偿性上调。该神经退行表型可通过饮食抗氧化剂挽救，强有力地支持了PPP抑制与ROS应激之间的关联。研究还揭示了PPP缺失导致的进行性神经退行伴随神经元功能障碍，如活动能力下降和昼夜节律紊乱。

这项工作不仅验证了长期存在的关于神经元PPP神经保护作用的假说，而且通过创新的活体代谢成像技术，在分子层面清晰地描绘了“PPP活性下降 → NADPH减少 → ROS清除能力减弱 → H₂O₂积累 → 氧化损伤与神经退行”这一因果链条。这加深了我们对神经元代谢如何抵御氧化应激的理解，并为研究衰老及相关神经退行性疾病（其中氧化应激被公认是重要因素）的潜在机制提供了新的视角和实验工具。在老龄化社会背景下，阐明维持神经元氧化还原稳态的机制对于促进健康老龄化具有重要的科学意义。