《Neurobiology of Disease》：ROS-HIF1α-driven glycolytic reprogramming sustains ATP production in Huntington's disease
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亨廷顿病（HD）是一种进行性神经退行性疾病，其中线粒体功能障碍和能量代谢受损有助于疾病发病机制。令人惊讶的是，研究发现，尽管三羧酸循环（TCA）中间体受损且存在线粒体缺陷，但在 R6/2 HD 小鼠的纹状体中，ATP 水平并未减少反而升高。整合代谢组学、基因表
亨廷顿病（HD）是一种进行性神经退行性疾病，其中线粒体功能障碍和能量代谢受损有助于疾病发病机制。令人惊讶的是，研究发现，尽管三羧酸循环（TCA）中间体受损且存在线粒体缺陷，但在 R6/2 HD 小鼠的纹状体中，ATP 水平并未减少反而升高。整合代谢组学、基因表达谱分析和药理学干扰研究表明，增加的活性氧（ROS）稳定了缺氧诱导因子 -1α（HIF1α），驱动增强的葡萄糖摄取和糖酵解通量。体内动态葡萄糖增强（DGE）磁共振成像（MRI）进一步支持了活体 R6/2 大脑中葡萄糖处理的改变。抑制糖酵解或 HIF1α均消除了 ATP 的升高，表明 HIF1α依赖性糖酵解补偿了线粒体损伤。单核 RNA 测序进一步揭示了神经元和胶质细胞群体中协调的代谢重编程。这些发现揭示了一种由氧化应激触发的代谢转换，该转换在 HD 中维持 ATP 生成，重新定义了神经退行性疾病中的生物能量适应。
**亨廷顿病中氧化应激驱动的代谢代偿机制研究解读**
亨廷顿病（HD）作为一种由 huntingtin (HTT) 基因中 CAG 三核苷酸重复扩增引起的进行性神经退行性疾病，其病理特征包括突变型 huntingtin (mHTT) 蛋白的积累、突触功能破坏以及能量代谢紊乱。既往研究已确立线粒体功能障碍是 HD 发病机制的关键贡献者，表现为氧化磷酸化（OXPHOS）基因表达降低、线粒体生物发生关键调节因子 PGC-1α受抑以及活性氧（ROS）产生增加。传统的观点认为，线粒体功能的受损必然导致脑内能量匮乏和 ATP 水平下降，从而驱动运动与认知能力的衰退。然而，这种线性因果关系在复杂的神经退行性环境中是否绝对成立，以及细胞如何应对这种代谢危机，尚存未解之谜。特别是在氧化应激条件下，缺氧诱导因子 -1α（HIF1α）作为关键的转录因子，是否介导了某种代偿性的代谢转换以维持能量稳态，此前在 HD 脑组织中尚未得到充分阐明。因此，深入探究 HD 病程中能量代谢的动态变化及其调控机制，对于理解疾病进展及开发新的治疗策略具有重要意义。本研究发表于《Neurobiology of Disease》，旨在揭示 HD 中一种被忽视的代谢适应机制。
研究人员利用 R6/2 转基因小鼠模型（表达 mHTT N 端片段）和 zQ175 敲入小鼠模型（表达全长 mHTT），结合人类 HD 患者的死后脑组织转录组数据，开展了一系列多维度的研究。主要技术方法包括：利用 R6/2 和 zQ175 小鼠队列进行行为学评估（转棒实验）及组织病理学分析；采用液相色谱 - 质谱联用（LC-MS）技术进行纹状体代谢组学 profiling，定量分析 TCA 循环中间产物及 ATP 水平；通过体内成像系统（IVIS）检测脑内 ROS 水平；运用实时荧光定量 PCR（RT-qPCR）、批量 RNA 测序（Bulk RNA-seq）及单核 RNA 测序（snRNA-seq）技术解析基因表达谱及细胞类型特异性代谢变化；利用动态葡萄糖增强（DGE）磁共振成像（MRI）技术在活体水平评估葡萄糖摄取与代谢动力学；并通过给予糖酵解抑制剂 2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）和 HIF1α抑制剂 PX-478 进行药理学干预，验证代谢通路的功能必要性。此外，研究还分析了公共数据库 GEO GSE33000 中的人类 HD 前额叶皮层微阵列数据以验证发现的保守性。
研究结果首先揭示了症状期 R6/2 小鼠纹状体中 ATP 水平的矛盾性升高。尽管免疫组化显示线粒体标志物 MTCO1 显著减少，且代谢组学证实 TCA 循环关键中间体（如乙酰辅酶 A、琥珀酰辅酶 A 等）下调，表明线粒体氧化代谢受损，但 ATP 水平却显著高于野生型对照。这一现象在进展较慢的 zQ175 模型中未观察到，提示这种代偿可能具有模型或疾病阶段依赖性。其次，研究阐明了 ROS-HIF1α轴在驱动这一代谢转换中的核心作用。体内成像证实 R6/2 小鼠脑内 ROS 水平显著升高，进而导致 Hif1a 转录本上调；使用抗氧化剂 N-乙酰半胱氨酸（NAC）处理可逆转 Hif1a 的表达升高，证明 ROS 是 HIF1α稳定的上游驱动力。转录组分析进一步显示，HIF1α靶基因包括己糖激酶 1 (Hk1)、葡萄糖 -6-磷酸异构酶 1 (Gpi1) 和磷酸果糖激酶肝型 (Pfkl) 等糖酵解酶基因在 R6/2 小鼠及人类 HD 患者脑中均显著上调。单核 RNA 测序（snRNA-seq）结果表明，这种糖酵解基因的上调和 TCA 循环基因（如 Idh3b）的下调广泛存在于纹状体神经元、皮质神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞及小胶质细胞等多种细胞类型中，表明这是一种全脑范围的协调性代谢重编程。
在功能验证方面，研究通过 DGE-MRI 和 2-DG 追踪实验证实，R6/2 小鼠纹状体的葡萄糖摄取能力显著增强，表现为 2-脱氧葡萄糖 -6-磷酸（2DG6P）积累增加及 DGE-MRI 信号曲线下面积（AUC）增大，且这与葡萄糖转运蛋白 GLUT1 (Slc2a1) 的表达趋势一致。最为关键的是，药理学阻断实验显示，无论是直接抑制糖酵解（使用 2-DG）还是抑制 HIF1α（使用 PX-478），均能显著消除 R6/2 小鼠纹状体中异常升高的 ATP 水平，甚至导致小鼠对糖酵解抑制表现出极高的致死敏感性。这有力地证明了 HIF1α依赖的糖酵解增强是 HD 脑在面临线粒体功能障碍时，为维持 ATP 稳态而启动的一种关键代偿机制。
讨论部分总结指出，本研究重新定义了 HD 中的生物能量适应模式。研究人员提出，HD 脑并非单纯地陷入能量衰竭，而是通过氧化应激触发 HIF1α稳定，进而启动糖酵解重编程，形成一种“代谢韧性”以暂时抵消线粒体损伤带来的能量缺口。这种跨细胞类型的代谢转换虽然能在疾病特定阶段维持 ATP 水平，但其长期后果可能并不完全有益，例如乳酸堆积可能导致酸中毒及代谢压力，且这种代偿能力随疾病进展可能最终耗竭，无法阻止最终的神经元丢失。此外，研究还探讨了甲基化修饰（如 SAM:SAH 比率变化）可能在 HIF1α稳定中的潜在作用，并指出 R6/2 模型在模拟人类 HD 的急性应激代谢反应方面比 zQ175 模型更具代表性。综上所述，该研究结论表明：在亨廷顿病中，氧化应激驱动的 HIF1α稳定化促使神经元和胶质细胞发生协调的糖酵解重编程，这种代谢转换是维持 ATP 生成的关键代偿机制；这一发现不仅揭示了 HD 病理生理中能量稳态调控的新层面，也为针对 ROS-HIF1α信号轴及代谢通路的治疗干预提供了新的理论依据和潜在靶点。
