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Cell Metabolism丨氧化应激重塑星形胶质细胞胶原代谢诱导神经元死亡

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撰文|Sure

星形胶质细胞( astrocytes )是脑内重要的代谢调控细胞。它们不仅为神经元提供能量底物、维持氧化还原稳态,还参与细胞外基质( extracellular matrix,ECM)的产生与重塑【 1, 2】 。过去人们通常认为星形胶质细胞主要是支持神经元的细胞,但现在越来越清楚,星形胶质细胞在脑损伤、神经退行性疾病和缺血性卒中中会发生强烈的代谢重编程,并可能主动决定神经元是存活还是死亡。活性氧( reactive oxygen species, ROS )是细胞代谢过程中不可避免产生的分子。低水平 ROS 可以参与突触可塑性、神经分化和免疫反应等生理过程;但当 ROS 过量积累时,会造成氧化应激,破坏氧化还原平衡【3-5】。脑组织尤其容易受到氧化应激损伤,因为脑内脂质含量高、能量需求大,而抗氧化能力相对有限。在缺血性卒中( ischemic stroke )中,血流阻断会迅速诱导 ROS 升高,其中过氧化氢( H 2 O 2 )是重要的 ROS 分子之一。已有研究 表明 ROS 与神经元损伤密切相关,但仍不清楚:H2O2如何改变星形胶质细胞代谢?这种改变如何影响ECM重塑?又如何最终导致神经元死亡和功能缺陷?

近日 , 来自 韩 国 基础科学研究所 的 C. Justin Lee 课题组 与合作者 在 Cell Metabolism 上 发表了 论文 Oxidative stress-induced astrocytic collagen biosynthesis drives glial barrier formation and neuronal death in ischemic stroke 。 本研究 发现, 缺血诱导的 H 2 O 2 通过重编程星形胶质细胞的糖基化与胶原代谢( FUT8–COL1 轴),驱动 ECM 异常沉积并通过整合素信号导致神经元死亡,从而成为卒中损伤和功能障碍的关键机制与可干预靶点 。


缺血性卒中和多种神经系统疾病中都会出现 ROS 升高和 ECM 重塑,但二者之间的因果关系不清楚。尤其是星形胶质细胞在损伤后会形成胶质屏障和瘢痕结构,但这些结构中 ECM 蛋白如何被诱导、是否受氧化代谢调控,仍缺乏机制解释 。 因此,作者首先要回答一个基础问题 : H 2 O 2 是否足以让星形胶质细胞启动病理性胶原合成程序?作者用 H 2 O 2 处理原代皮层星形胶质细胞,并结合转录组、染色质开放性和糖基化相关分析,解析 H 2 O 2 如何调控 I 型胶原 COL1 产生。 H 2 O 2 处理原代皮层星形胶质细胞后, RNA-seq 显示在处理 1 天后,大量与胶原代谢及胶原性 ECM 相关的基因显著上调,其中包括编码 I 型胶原的 Col1α1 和 Col1α2 。时间动态分析发现,这些基因的 mRNA 水平在第 1 天显著升高,但在第 3 天下降,而 COL1 蛋白水平却持续升高并在第 3 天达到峰值,提示 COL1 的积累不仅依赖转录调控,还受到翻译后修饰的影响。进一步通路分析显示,与 N- 连接糖基化( N-linked glycosylation ) 相关的基因显著富集,提示糖基化可能增强 COL1 蛋白稳定性或促进其沉积。为了明确转录调控机制,作者进行了 ATAC-seq , 结果显示 Col1α1 和 Col1α2 启动子区域的开放性并未显著增加,排除了经典启动子激活机制。相反,大量远端调控区域(尤其是非编码 RNA 区域)出现关闭现象,其中包括调控 miR-29a/b/c 的区域。 miR-29 家族已被证明可靶向并抑制胶原表达,其调控区域关闭意味着 miR-29 表达降低,从而解除对 Col1α1 mRNA 的抑制作用。结合上述结果可以推断, H 2 O 2 通过双重机制促进 COL1 产生:一方面通过抑制 miR-29 实现转录后去抑制,另一方面通过增强糖基化相关 翻译后修饰 提高 COL1 蛋白稳定性和沉积效 率,从而驱动星形胶质细胞进入高胶原生成状态。

作者已经发现 H 2 O 2 会诱导星形胶质细胞产生 COL1 ,但这本身并不能说明 COL1 对神经元有害。 ECM 蛋白既可能参与修复,也可能参与病理性瘢痕形成。因此作者需要进一步证明:星形胶质细胞产生的 COL1 是否是神经元死亡的直接原因 。 作者利用星形胶质细胞与皮层神经元的夹层共培养体系,评估 H 2 O 2 诱导的星形胶质细胞对神经元的影响。结果显示,与未处理组相比 H 2 O 2 处理后的星形胶质细胞显著降低神经元存活率,提示其分泌了神经毒性因子。为验证 COL1 的作用,作者在星形胶质细胞中敲低 Col1α1 ,结果发现神经元死亡显著减少,说明 COL1 是 H 2 O 2 诱导神经毒性的必要因素。直接向神经元培养体系中加入纯化的 COL1 蛋白,也可在 1–3 天内诱导神经元逐渐死亡,证明 COL1 具有直接神经毒性作用。在机制层面, COL1 作为 ECM 蛋白可与多种受体相互作用,其中整合素是神经元表面重要的 ECM 受体。作者使用整合素抑制剂 MK-0429 和 BTT-3033 处理神经元后发现,这些抑制剂均可显著减少 COL1 诱导的神经元死亡,说明整合素信号通路是 COL1 发挥毒性的关键介导途径。体内实验进一步支持这一结论:向小鼠皮层注射 H 2 O 2 可诱导 COL1 表达和神经元死亡,而通过在星形胶质细胞中敲低 Col1α1 可有效阻断该过程。综上, H 2 O 2 诱导的星形胶质细胞 COL1 通过激活神经元整合素信号,引发一种相对缓慢但持续的神经元死亡过程。

接下来,作者继续在 缺血性卒中 环境下探究他们发现的这条 COL1- 整合素信号通路是否对神经元死亡具有因果关系。 在小鼠 PT 卒中模型中,作者观察到卒中后星形胶质细胞内 H 2 O 2 迅速升高,随后出现持续氧化损伤。接着,星形胶质细胞发生强烈反应性增生,形成胶质屏障,并在后期产生大量 COL1 和 SPARC 。 SPARC 是一种参与胶原装配和纤维形成的基质蛋白。随着 COL1 沉积和瘢痕形成, NeuN 阳性神经元逐渐消失,运动功能持续受损。为了验证 COL1 的必要性,作者在星形胶质细胞中特异性敲低 Col1α1 。结果显示, Col1α1 敲低几乎完全阻断 PT 诱导的 COL1 沉积、胶质瘢痕形成、神经元丢失和运动功能障碍。说明星形胶质细胞 COL1 是卒中后病理级联中的关键执行因子。 随后 ,作者研究糖基化机制 , FUT8 负责核心岩藻糖基化。敲低星形胶质细胞 的 Fut8 后, COL1 和 SPARC 表达显著减少,纤维瘢痕形成和神经元死亡也被明显抑制,运动功能得到改善。这说明 FUT8 介导的核心岩藻糖基化对 COL1 相关 ECM 病理形成至关重要。

文章的最后,作者测试 H 2 O 2 清除增强剂 —— KDS12025 在卒中模型中的潜在治疗 价值。 KDS12025 可通过血脑屏障 , 增强血红蛋白过氧化物酶活性 。作者发现, 小鼠卒中后给予 KDS12025 可以减少 H 2 O 2 相关病理,降低星形胶质细胞肥大、 COL1 沉积、胶质瘢痕和神经元损伤,并显著改善运动功能。更重要的是,作者发现神经元在卒中后第 2 天仍然可记录到膜电性质,但功能严重受损; KDS12025 能保存其动作电位和突触活动,提示卒中后存在一个可治疗的延迟窗口。作者还用基质辅助激光解吸电离质谱成像分析 N- 糖链,发现卒中后纤维瘢痕区域发生显著 N- 糖基化重塑,而 Col1α1 敲低或 KDS12025 治疗都能阻止这些糖基化变化。最后,在非人灵长类动物 PT 卒中模型中, KDS12025 同样减少脑水肿、改善皮质脊髓束完整性、降低 COL1 沉积和星形胶质细胞反应,并改善手部抓握功能 , 这 些发现 增强了其转化医学意义。

总的来说, 该研究发现缺血诱导的 H 2 O 2 可重编程星形胶质细胞代谢,通过 FUT8 介导的核心岩藻糖基化促进 COL1 异常产生与沉积。星形胶质细胞来源的 COL1 进一步通过整合素信号驱动神经元死亡,形成从氧化应激到神经损伤的完整病理通路。该工作不仅揭示了卒中后神经元延迟性死亡的新机制,还提出 H 2 O 2 –FUT8–COL1 轴作为具有转化潜力的干预靶点。


原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cmet.2026.04.001

制版人: 十一

参考文献

1. Cal ı `, C., Cantando, I., Veloz Castillo, M.F., Gonzalez, L., and Bezzi, P. (2024). Metabolic reprogramming of astrocytes in pathological conditions: implications for neurodegenerative diseases.Int. J. Mol. Sci.25, 8922.

2. Won, W., Bhalla, M., Lee, J.H., and Lee, C.J. (2025). Astrocytes as key regulators of neural signaling in health and disease.Annu. Rev.Neurosci.48, 251–276.

3. Vicente-Gutierrez, C., Bonora, N., Bobo-Jimenez, V., Jimenez-Blasco, D., Lopez- Fabuel , I., Fernandez, E., Josephine, C., Bonvento , G., Enriquez, J.A., Almeida, A., et al. (2019). Astrocytic mitochondrial ROS modulate brain metabolism and mouse behaviour .Nat.Metab.1, 201–211.

4. Guo, H., Li, Y., Wang, S., Yang, Y., Xu, T., Zhao, J., Wang, J., Zuo, W., Wang, P., Zhao, G., et al. (2024). Dysfunction of astrocytic glycophagy exacerbates reperfusion injury in ischemic stroke.Redox Biol.74, 103234.

5. Yang, L., Hu, C., Chen, X., Sun, M., Zhang, J., Feng, Z., Cui, T., Zhu, R., Zhang, X., Xiao, Y., et al. (2025). Ubiquitination-mediated upregulation of glycolytic enzyme MCT4 in promoting astrocyte reactivity during neuroinflammation.J.Neuroinflamm. 22, 126.

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