《Aging Cell》：Silencing of the Metabolic Gene HKDC1 Is Associated With Aging and Neurodegeneration in Mice and Humans
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這篇研究揭示了代謝酶HKDC1在腦部表達隨衰老和阿爾茨海默�。ˋD）嚴重程度而降低。通過構建大腦特異性敲除（BKO）小鼠模型，研究發現HKDC1缺失會導致年齡依賴性的記憶與學習能力缺陷、焦慮、細胞衰老和神經炎癥。機制上，衰老導致轉錄因子EB（TFEB）對HKDC1啟動子的結合能力下降，進而減少其表達，這可能通過影響線粒體功能（如PINK1表達降低）促進神經退行性變進程。該研究首次闡明了HKDC1在腦衰老和認知功能維持中的關鍵作用，為理解代謝失調與神經退行性疾病的關系提供了新視角。
引言
隨著全球人口預期壽命的延長，神經退行性疾病如阿爾茨海默�。ˋD）帶來了巨大的社會經濟負擔。所有慢性腦衰老或神經退行性疾病都具有相似的特征：神經元進行性喪失伴隨記憶和運動技能損傷、神經炎癥以及突觸可塑性受損。代謝失調是影響該過程的重要因素，但其精確機制尚不清楚。己糖激酶（HK）是催化葡萄糖代謝第一步的酶家族。HKDC1作為第五個新型己糖激酶，此前研究發現其與妊娠期糖尿病中受損的口服葡萄糖耐量相關，并在衰老和妊娠期小鼠全身葡萄糖穩態中發揮作用。鑒于代謝疾病與神經退行性疾病的關聯，本研究探討了HKDC1在腦部表達及其在神經退行性變中的作用。
方法
研究使用了多種小鼠模型，包括大腦特異性HKDC1敲除小鼠（BKO，通過將HKDC1fl/fl雌鼠與Nestin-cre雄鼠雜交獲得）、快速衰老模型SAMP8小鼠及其對照SAMR1小鼠，以及5XFAD AD模型小鼠。通過新穎物體位置測試和曠場測試評估小鼠的記憶、學習和焦慮行為。使用定量PCR、免疫印跡、免疫熒光、染色質免疫沉淀（ChIP）等技術分析了基因表達、蛋白水平、染色質狀態和細胞定位。利用人類大腦蛋白質組學數據（來自ROSMAP研究）和單核RNA測序數據評估了HKDC1與AD病理的關聯及其在不同細胞類型中的表達。在CCF-STTG1人星形膠質細胞系中，通過siRNA敲低HKDC1，并檢測線粒體健康、活性氧（ROS）產生和自噬相關指標。
結果
1. HKDC1表達缺失與人和小鼠神經退行性變相關
HKDC1在小鼠大腦中高表達，特別是在皮層和海馬體。分析人類大腦蛋白質組數據發現，HKDC1蛋白豐度與全球AD病理負擔和β-淀粉樣蛋白水平呈負相關。孟德爾隨機化分析提示，基因預測的更高大腦HKDC1蛋白豐度對AD具有潛在保護作用。在5XFAD AD模型小鼠中，HKDC1的RNA和蛋白表達水平也顯著下降。
2. 大腦HKDC1表達對記憶、學習和年齡相關性焦慮至關重要
與HKDC1fl/fl對照小鼠相比，9月齡（而非4月齡）的HKDC1-BKO雄性和雌性小鼠均表現出記憶和學習缺陷。此外，9月齡BKO雄性小鼠（而非雌性小鼠）表現出明顯的焦慮行為。對BKO小鼠大腦的RNA測序分析顯示，與突觸信號、行為、認知、神經元投射發育、記憶和學習等相關的通路基因表達顯著下調。
3. 大腦HKDC1表達缺失與小鼠衰老相關
在HKDC1fl/fl小鼠中，HKDC1在腦部的RNA和蛋白表達水平隨年齡增長（從4月齡到9月齡）而下降。亞細胞分離顯示，腦中的HKDC1與HK1類似，特異性地定位于線粒體。在衰老模型SAMP8小鼠中，HKDC1的表達也顯著低于對照SAMR1小鼠，并且從4月齡到9月齡持續下降，強烈表明HKDC1表達的喪失與小鼠衰老相關。
4. 大腦HKDC1缺失與衰老和炎癥相關
在9月齡BKO小鼠大腦中，衰老標志物（p21、p53）和神經炎癥標志物（TNFα、COX-2、IL-1β）的表達均增加。同時，線粒體健康標志物PINK1的表達顯著下降，表明HKDC1的缺失影響了線粒體功能。血清Aβ-42水平和p-tau蛋白在BKO與對照小鼠間無明顯差異，提示在9月齡時觀察到的變化主要與衰老和炎癥相關，而非顯著的Aβ-42積累。
5. 星形膠質細胞HKDC1缺失導致ROS產生增加和自噬受損
對人類大腦單核RNA測序數據的分析顯示，HKDC1在星形膠質細胞中表達最高，并且在AD患者中表達顯著降低。免疫熒光證實了HKDC1與星形膠質細胞標志物GFAP的共定位。在CCF-STTG1人星形膠質細胞系中敲低HKDC1，不僅導致PINK1表達下降和炎癥標志物表達上升，還使細胞在基線狀態和線粒體解偶聯劑FCCP處理后，均表現出更高的ROS產生，并且在高劑量FCCP下無法有效降低ROS，提示其清除受損線粒體的自噬能力受損。
6. 大腦HKDC1表達受轉錄因子EB（TFEB）調控
TFEB是調控HKDC1表達的關鍵轉錄因子。染色質免疫沉淀分析顯示，在9月齡小鼠大腦中，TFEB與HKDC1啟動子的結合顯著低于4月齡小鼠。同時，與活躍轉錄相關的RNA聚合酶II結合和組蛋白修飾H3K27ac在HKDC1基因位點也隨衰老而減少。然而，TFEB本身的表達水平在年齡或HKDC1缺失條件下并未改變，表明衰老特異性地降低了TFEB對HKDC1啟動子的招募能力。
討論
衰老和衰老相關的細胞衰老是不可逆的生理過程，可導致神經退行性疾病。異常的能量代謝和線粒體功能障礙是衰老和神經退行性疾病的已知標志。本研究首次闡述了HKDC1在腦衰老和神經退行性變中的作用。研究發現，HKDC1表達在AD和衰老模型小鼠以及人類AD大腦中均下降。基因缺失HKDC1會導致年齡依賴性的認知缺陷、焦慮、細胞衰老和神經炎癥。機制上，衰老改變了HKDC1基因位點的染色質構象，減少了TFEB的招募，從而降低了HKDC1的表達。HKDC1的缺失可能通過影響其與線粒體蛋白VDAC的相互作用，破壞PINK1-Parkin介導的健康線粒體自噬，導致功能失調的線粒體積累，進而誘發衰老和炎癥。研究還發現，HKDC1在星形膠質細胞中高表達，其缺失會損害星形膠質細胞的線粒體功能和自噬能力。未來的研究方向包括在更年長的動物模型中探索TFEB-HKDC1-PINK1軸的詳細機制，研究限時進食或生酮飲食等干預措施對該通路的影響，以及探究雌性激素在性別特異性保護中的作用。總之，該研究揭示了HKDC1作為連接代謝、線粒體功能和腦衰老的關鍵分子，為開發針對衰老相關神經退行性疾病的代謝干預策略提供了新的潛在靶點。
