Müller細(xì)胞在視網(wǎng)膜糖酵解作用機(jī)制中的研究進(jìn)展△

何沐霖 余嘉珍 莫亞

Müller細(xì)胞是視網(wǎng)膜神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的主要成分，通過攝入葡萄糖，進(jìn)行糖酵解代謝，為視網(wǎng)膜神經(jīng)元提供能量和神經(jīng)遞質(zhì)，視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞通過糖酵解獲得其代謝所需的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)，這種代謝方式可以為處于低氧環(huán)境下的視網(wǎng)膜神經(jīng)元節(jié)省氧耗，同時(shí)為感光細(xì)胞和神經(jīng)元提供營(yíng)養(yǎng)和抗氧化支持，并調(diào)節(jié)血-視網(wǎng)膜屏障的緊密性，以維持視網(wǎng)膜的穩(wěn)態(tài)和完整性。本文就視網(wǎng)膜中糖酵解的主要代謝途徑及產(chǎn)物、視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞的功能及Müller細(xì)胞與糖酵解前體代謝產(chǎn)物之間的作用機(jī)制作一綜述。

1 視網(wǎng)膜中的糖酵解

糖酵解是指將葡萄糖或糖原分解轉(zhuǎn)化為丙酮酸及乳酸，并生成ATP和還原性輔酶Ⅰ的代謝過程。視網(wǎng)膜細(xì)胞通過這一過程為其相關(guān)代謝活動(dòng)提供部分能量及維持穩(wěn)態(tài)支持。葡萄糖是包括視網(wǎng)膜在內(nèi)的神經(jīng)組織中能量代謝的主要底物。視網(wǎng)膜表現(xiàn)出高水平的能量代謝，需要持續(xù)供應(yīng)血糖來維持功能[1]。己糖激酶是糖酵解途徑第一步的催化酶，在視網(wǎng)膜光感受器內(nèi)部，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為6-磷酸葡萄糖(conversion of glucose to glucose 6-phosphate,G6P)，然后進(jìn)一步代謝為視網(wǎng)膜細(xì)胞需要的ATP，并為神經(jīng)元提供神經(jīng)遞質(zhì)前體和乳酸。葡萄糖被磷酸化為G6P，這是一種重要的調(diào)節(jié)分子，在糖酵解某些特定情況下，可以轉(zhuǎn)化為糖原，糖原可以在能量缺乏時(shí)充當(dāng)能量來源[2]。G6P通過葡萄糖磷酸異構(gòu)酶催化生成果糖6-磷酸(fructose 6-phosphate,F6P)，磷酸果糖激酶催化F6P轉(zhuǎn)變?yōu)楣?,6-6-二磷酸的ATP依賴性磷酸化。丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是糖酵解最后一步的催化酶，磷酸從磷酸烯醇丙酮酸轉(zhuǎn)移到ADP，每個(gè)糖酵解所用的葡萄糖產(chǎn)生2個(gè)ATP分子。目前存在4種PK同工型酶：L、R、M1、M2。相關(guān)研究表明，丙酮酸激酶同工酶2(pyruvate kinase isozyme type M2，PKM2)是視網(wǎng)膜視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞中主要的同工型，并且經(jīng)歷了光依賴性酪氨酸磷酸化，研究表明磷酸肌醇3-激酶激活促進(jìn)PKM2磷酸化[3]。將葡萄糖重新定向至合成代謝過程的開關(guān)是由PKM2介導(dǎo)的，PKM2是在視網(wǎng)膜光感受器中PK表達(dá)的主要形式，通過磷酸化來抑制PKM2會(huì)導(dǎo)致磷酸烯醇丙酮酸積聚[4]。

研究表明，丙酮酸通過其清除各種活性氧的特性，可以抑制氧化應(yīng)激，從而起到神經(jīng)保護(hù)作用。丙酮酸對(duì)光損傷的光感受器具有保護(hù)作用[5]。光感受器的結(jié)構(gòu)和活力、正常的神經(jīng)元-神經(jīng)膠質(zhì)相互作用以及視網(wǎng)膜代謝的動(dòng)態(tài)平衡均需要線粒體氧化的丙酮酸[6],而視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)細(xì)胞通過線粒體丙酮酸載體將丙氨酸作為線粒體的底物，從而支持視網(wǎng)膜代謝[7]。視網(wǎng)膜擁有乳酸穿梭這種獨(dú)特的代謝特征，其主要特征為低氧狀態(tài)下的細(xì)胞可以釋放乳酸，乳酸會(huì)擴(kuò)散到更需氧的部位進(jìn)行氧化[8]。乳酸穿梭不僅在視網(wǎng)膜神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中有大量體現(xiàn)[9]，在視網(wǎng)膜其他位置也有所體現(xiàn)，例如視網(wǎng)膜釋放的乳酸會(huì)被RPE細(xì)胞消耗[10]。

2 Müller細(xì)胞在視網(wǎng)膜中作用機(jī)制的研究進(jìn)展

哺乳動(dòng)物視網(wǎng)膜是一個(gè)代謝活躍的組織，通常通過攝取葡萄糖和氧氣來滿足能量需求。糖原是神經(jīng)組織中唯一重要的能量?jī)?chǔ)備。在視網(wǎng)膜中，糖原和糖原磷酸化酶主要位于Müller細(xì)胞中[11]。Müller細(xì)胞是由多能祖細(xì)胞產(chǎn)生的，是唯一覆蓋所有視網(wǎng)膜層、具有與相鄰神經(jīng)元接觸并參與內(nèi)外限制膜過程的細(xì)胞類型[12]。因此，Müller細(xì)胞可以很好地監(jiān)視視網(wǎng)膜的穩(wěn)態(tài)，并有助于視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)完整和功能正常[13]。在這種情況下，其充當(dāng)了在不同視網(wǎng)膜細(xì)胞和隔室之間轉(zhuǎn)移各種分子的屏障和導(dǎo)管[14]，通過釋放營(yíng)養(yǎng)因子，回收神經(jīng)遞質(zhì)并控制細(xì)胞外空間的離子平衡來支持神經(jīng)元[15]。此外，Müller細(xì)胞吞噬視錐細(xì)胞外段，有助于視錐細(xì)胞外段的組裝，并參與特定視錐細(xì)胞的視覺循環(huán)，從而有助于回收視網(wǎng)膜發(fā)色團(tuán)以進(jìn)行光檢測(cè)[16]。最近研究發(fā)現(xiàn)，Müller細(xì)胞不依賴于其穩(wěn)態(tài)功能，而是通過充當(dāng)“光纖”將光導(dǎo)引至光感受器而直接有助于視覺[17]。Müller細(xì)胞發(fā)揮著祖細(xì)胞的特征，包括基因的表達(dá)、增殖反應(yīng)以及在特殊條件下產(chǎn)生神經(jīng)元的能力[18]。

Müller細(xì)胞通過介導(dǎo)跨細(xì)胞離子、水和碳酸氫鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)，可控制細(xì)胞外空間液的組成，為感光細(xì)胞和神經(jīng)元供養(yǎng)和給予抗氧化支持，并調(diào)節(jié)血-視網(wǎng)膜屏障的緊密性[19]。在病理?xiàng)l件下，反應(yīng)性Müller細(xì)胞可通過釋放抗氧化劑和神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子來保護(hù)組織免受進(jìn)一步損害，一部分可能分化為神經(jīng)祖細(xì)胞/干細(xì)胞，從而再生失去的感光細(xì)胞和神經(jīng)元，通過攝取谷氨酸鹽，Müller細(xì)胞可以更直接地參與內(nèi)部視網(wǎng)膜突觸活性的調(diào)節(jié)[20]。在對(duì)斑馬魚的研究中，Müller細(xì)胞對(duì)視網(wǎng)膜損傷的反應(yīng)涉及重編程事件，該事件賦予了視網(wǎng)膜干細(xì)胞特征，并使其產(chǎn)生大量的祖細(xì)胞，這些祖細(xì)胞可以再生所有主要的視網(wǎng)膜細(xì)胞類型并恢復(fù)視力[21]。

Müller細(xì)胞對(duì)視網(wǎng)膜損傷具有顯著的復(fù)原力，這可能歸因于其獨(dú)特的生理特性。Müller細(xì)胞通過改變形態(tài)、生物化學(xué)和生理學(xué)來應(yīng)對(duì)視網(wǎng)膜損傷和疾病，這種損傷反應(yīng)通常被稱為反應(yīng)性神經(jīng)膠質(zhì)增生。根據(jù)損傷的嚴(yán)重程度，這種反應(yīng)可能包括Müller細(xì)胞增殖，對(duì)損傷的增生和非增生反應(yīng)均伴隨著基因和蛋白質(zhì)表達(dá)的變化，并且通常與Müller細(xì)胞肥大有關(guān)[22]。這種反應(yīng)性神經(jīng)膠質(zhì)增生對(duì)神經(jīng)元有益，其途徑是通過防止谷氨酸神經(jīng)興奮性毒性產(chǎn)生的同時(shí)釋放多種保護(hù)神經(jīng)元的因子[23]。但是，Müller細(xì)胞增生還可能導(dǎo)致神經(jīng)變性，并通過形成神經(jīng)膠質(zhì)增生而阻礙視網(wǎng)膜組織的再生過程。

3 糖酵解代謝產(chǎn)物與視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞的關(guān)系

糖酵解占Müller細(xì)胞總葡萄糖利用率的99%，線粒體葡萄糖氧化僅占1%[24]。葡萄糖由葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞被己糖激酶磷酸化為G6P，然后進(jìn)一步代謝為星形膠質(zhì)細(xì)胞局部所需要的ATP，并為神經(jīng)元提供神經(jīng)遞質(zhì)前體和乳酸[25-26]。星形膠質(zhì)細(xì)胞攝入葡萄糖，進(jìn)行糖酵解代謝，在這個(gè)過程中突觸周圍輸出神經(jīng)遞質(zhì)的前體和乳酸鹽[27]。視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞主要通過低耗氧的糖酵解途徑獲得其代謝所需ATP，為視網(wǎng)膜神經(jīng)元，特別是在正常生理?xiàng)l件下處于低氧環(huán)境下的內(nèi)核層和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層節(jié)省氧耗[28]。人星形膠質(zhì)細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過螯合來積累葡萄糖，這需要G6Pase-β參與，破壞序列會(huì)抑制細(xì)胞葡萄糖的攝取、ATP的產(chǎn)生和內(nèi)質(zhì)網(wǎng) Ca2+的攝取[29]。星形膠質(zhì)細(xì)胞群大小的變化，可以改變血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)水平和傳播方式，從而造成細(xì)胞網(wǎng)干擾血管生成的模式。因此，當(dāng)星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量發(fā)生改變時(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞和血管網(wǎng)的形態(tài)都會(huì)受到干擾，這些干擾會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜出血[30]。有證據(jù)顯示核因子紅系2相關(guān)因子(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,NRF2)通過部分基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控來調(diào)節(jié)糖酵解和增殖[31]。NRF2是控制抗氧化反應(yīng)和2期酶的轉(zhuǎn)錄因子[32]，在人和小鼠視網(wǎng)膜中的Müller膠質(zhì)細(xì)胞中顯著表達(dá)[33]。而Müller細(xì)胞暴露于高半胱氨酸會(huì)觸發(fā)強(qiáng)大的抗氧化反應(yīng)，其特征是NRF2表達(dá)增加，氧化應(yīng)激是一種氧化與抗氧化間的病理狀態(tài)[34]，NRF2在Müller細(xì)胞線粒體和糖酵解對(duì)高同型半胱氨酸血癥的適應(yīng)性反應(yīng)中起重要作用，對(duì)由于高同型半胱氨酸血癥或高半胱氨酸興奮導(dǎo)致氨基酸水平升高誘導(dǎo)的青光眼中視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡有正向調(diào)節(jié)作用[35]。

3.1 六碳化合物與Müller細(xì)胞的關(guān)系糖酵解代謝中的六碳化合物主要有G6P和F6P。未折疊的蛋白反應(yīng)在引起代謝破壞的應(yīng)激條件下，在視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞中被激活[36]，未折疊的蛋白反應(yīng)激活期間誘導(dǎo)X-box結(jié)合蛋白1表達(dá)[37]，X-box結(jié)合蛋白1的激活通過調(diào)節(jié)己糖胺生物合成途徑來防止缺血性損傷[38]。己糖胺生物合成途徑應(yīng)用于糖酵解中間體，F(xiàn)6P由谷氨酰胺合成果糖6磷酸氨基轉(zhuǎn)移酶產(chǎn)生氨基葡萄糖6磷酸和谷氨酸。對(duì)Müller細(xì)胞的最新研究顯示，星形膠質(zhì)細(xì)胞能夠通過葡萄糖6磷酸酶的活性隔離內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的葡萄糖，從而確保己糖激酶不受氨基葡萄糖6磷酸胞質(zhì)濃度的抑制，并允許葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)[39]。

3.2 三碳化合物對(duì)視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞的保護(hù)作用丙酮酸屬于糖酵解途徑中前體代謝產(chǎn)物中的三碳化合物。盡管Müller細(xì)胞存在PK的缺陷，在Müller細(xì)胞中PK的表達(dá)極少。但相關(guān)代謝通量分析表明，光感受器和Müller細(xì)胞之間的代謝關(guān)系不同于大腦中某些神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間的關(guān)系[40]。有證據(jù)顯示丙酮酸并不是通過改善Müller細(xì)胞的能量狀態(tài)而起作用，而是通過清除過量的自由基而起到保護(hù)Müller細(xì)胞的作用[41]。丙酮酸脫羧得到乙酰輔酶A，乙酰輔酶A也是糖酵解過程中一種前體代謝物，通過星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中均存在的單羧酸鹽載體將乳酸傳遞至神經(jīng)元，神經(jīng)元將乳酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸，并用于合成乙酰輔酶A，為三羧酸循環(huán)提供原料。同時(shí)，Müller細(xì)胞中谷氨酸轉(zhuǎn)化為谷氨酰胺，谷氨酰胺釋放到神經(jīng)元中，細(xì)胞響應(yīng)神經(jīng)元活化而釋放的乳酸被神經(jīng)元吸收，氧化為丙酮酸并應(yīng)用于合成三羧酸的乙酰輔酶A[42]。NH4+轉(zhuǎn)移了從線粒體到乳酸過程中丙酮酸通量的產(chǎn)生和釋放[43]。Müller細(xì)胞還使用糖酵解的中間體發(fā)生了幾種代謝反應(yīng)，合成絲氨酸是其中之一。絲氨酸是由3-磷酸甘油酸生物合成的，3-糖磷酸是在糖酵解的第7步中從葡萄糖衍生而來的3碳糖。3-磷酸甘油酸通過3個(gè)酶催化步驟轉(zhuǎn)化為絲氨酸，該途徑對(duì)于視網(wǎng)膜穩(wěn)態(tài)是重要的，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜神經(jīng)元缺乏甘油酸脫氫酶，因此依賴Müller神經(jīng)膠質(zhì)來產(chǎn)生絲氨酸[44]。

3.3 乳酸與Müller細(xì)胞存活和功能的維持乳酸是由丙酮酸在缺氧環(huán)境下還原而來，在脊椎動(dòng)物的視網(wǎng)膜中，產(chǎn)生能量的方式更像是腫瘤代謝而不是大腦代謝。有氧糖酵解在視網(wǎng)膜中占80%～96%[45]。在有氧和無氧條件下比較Müller細(xì)胞中乳酸的產(chǎn)生速率，可得出巴斯德效應(yīng)為1.3[46]。 通常，Müller細(xì)胞主要依靠有氧糖酵解來生成ATP，從該過程中獲得更高的ATP產(chǎn)量，但僅通過氧化磷酸化獲得少量ATP。這種特征也被稱為Warburg效應(yīng)，即糖酵解優(yōu)于氧化磷酸化，這使Müller細(xì)胞在缺氧條件下為周圍神經(jīng)元保留氧氣，局部神經(jīng)元激活，乳酸通過K+刺激的陰離子通道從星形膠質(zhì)細(xì)胞中釋放出來[47]。乳酸是維持Müller細(xì)胞存活和功能的關(guān)鍵成分。L-乳酸暴露可防止Müller細(xì)胞中糖原的完全消耗，增加葡萄糖補(bǔ)充和限制細(xì)胞中谷氨酸的攝取，提高了Müller細(xì)胞的存活率[48]。細(xì)胞從攝取的葡萄糖或糖原中產(chǎn)生和釋放L-乳酸，pH依賴性的L-乳酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)是由人Müller細(xì)胞中的單羧酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1介導(dǎo)的[49]。神經(jīng)遞質(zhì)和(或)細(xì)胞外K+通過cAMP/PKA信號(hào)通路觸發(fā)糖原分解直至乳酸。乳酸通過單羧酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1離開細(xì)胞,并通過單羧酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2進(jìn)入神經(jīng)元。細(xì)胞外乳酸還與羥基羧酸受體1結(jié)合，后者在血管周和突觸后膜中水平更高。乳酸通過間隙連接在視網(wǎng)膜Müller膠質(zhì)細(xì)胞之間傳播[50]。Müller細(xì)胞通過使用神經(jīng)元中的乳酸和天冬氨酸替代其缺失的PK來補(bǔ)償其獨(dú)特的代謝適應(yīng)性[51]。Müller細(xì)胞捕獲在興奮性神經(jīng)傳遞過程中釋放的谷氨酸鹽，并以谷氨酰胺的形式將其發(fā)送回神經(jīng)元。視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞在谷氨酸鹽環(huán)境下可以響應(yīng)NH4+急性刺激Müller細(xì)胞產(chǎn)生和釋放乳酸，并且與線粒體對(duì)丙酮酸的吸收有強(qiáng)烈的抑制作用[52]。氮也可以以氨基酸形式從神經(jīng)元穿梭到星形膠質(zhì)細(xì)胞，谷氨酸抑制了氧的消耗，這種現(xiàn)象歸因于胞質(zhì)酸化導(dǎo)致線粒體酸化[53]，糖尿病大鼠視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞中的谷氨酸水平升高，而Müller細(xì)胞中的谷氨酸水平升高會(huì)引起谷氨酸興奮性毒性[54]。從谷氨酸能軸突釋放的谷氨酸被神經(jīng)元和圍繞突觸的星形膠質(zhì)細(xì)胞吸收，谷氨酸的吸收是由鈉依賴性載體介導(dǎo)的，并觸發(fā)了Na+/K+-ATPase活性的增加，這個(gè)過程通過消耗ATP能刺激糖酵解、葡萄糖利用和乳酸生產(chǎn)[55]。

4 小結(jié)與展望

Müller細(xì)胞作為視網(wǎng)膜中主要神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，近年來的研究熱點(diǎn)多集中在干細(xì)胞再生相關(guān)領(lǐng)域，鑒于視網(wǎng)膜疾病的不可逆性，Müller細(xì)胞的自主神經(jīng)再生能力極小，本文通過對(duì)糖酵解前體代謝產(chǎn)物與視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞之間的作用機(jī)制的總結(jié)歸納，發(fā)現(xiàn)Müller細(xì)胞參與視網(wǎng)膜中糖酵解途徑中的G6P、F6P、丙酮酸及乳酸的代謝過程，對(duì)視網(wǎng)膜神經(jīng)元提供能量支持，從而促進(jìn)視網(wǎng)膜中細(xì)胞損傷的修復(fù)，對(duì)視網(wǎng)膜相關(guān)疾病有一定的治療和保護(hù)作用。視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞的增生一定程度上可以改善視功能，但Müller細(xì)胞的過度增生會(huì)阻礙視網(wǎng)膜組織的再生過程，未來科研和臨床在如何調(diào)控視網(wǎng)膜Müller細(xì)胞過度增生方面需繼續(xù)深入探索和研究，以期為視網(wǎng)膜相關(guān)疾病的治療提供新的研究思路。