L'ossidazione degli acidi grassi organizza i supercomplessi mitocondriali per sostenere i ROS e la cognizione astrocitica

Metabolismo della natura (2023) Citare questo articolo

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Avendo accesso diretto al sistema vascolare cerebrale, gli astrociti possono assorbire i nutrienti disponibili nel sangue e metabolizzarli per soddisfare i propri bisogni energetici e fornire intermedi metabolici alle sinapsi locali1,2. Queste cellule gliali dovrebbero quindi essere metabolicamente adattabili per scambiare diversi substrati. Tuttavia, studi in vitro e in vivo mostrano costantemente che gli astrociti sono principalmente glicolitici3,4,5,6,7, suggerendo che il glucosio è il loro principale precursore metabolico. In particolare, i dati trascrittomici8,9 e gli studi in vitro10 rivelano che gli astrociti di topo sono in grado di ossidare mitocondrialmente gli acidi grassi e che possono disintossicare gli acidi grassi in eccesso di derivazione neuronale nei modelli di malattia11,12. Tuttavia, il reale vantaggio metabolico dell’utilizzo degli acidi grassi da parte degli astrociti e il suo impatto fisiologico sulle funzioni cerebrali di ordine superiore rimangono sconosciuti. Qui, mostriamo che l’eliminazione della carnitina-palmitoil transferasi-1A (CPT1A), un enzima chiave dell’ossidazione degli acidi grassi mitocondriali, negli astrociti di topo adulti causa un deterioramento cognitivo. Meccanicamente, la ridotta ossidazione degli acidi grassi ha ricablato il metabolismo del piruvato astrocitico per facilitare il flusso di elettroni attraverso una catena respiratoria mitocondriale super-assemblata, con conseguente attenuazione della formazione di specie reattive dell'ossigeno. Pertanto, gli astrociti metabolizzano naturalmente gli acidi grassi per preservare la catena respiratoria mitocondriale in una conformazione smontata energeticamente inefficiente che assicura la segnalazione di specie reattive dell’ossigeno e sostiene le prestazioni cognitive.

Per accertare i livelli di espressione dei geni che codificano per l'uso degli acidi grassi negli astrociti e nei neuroni, abbiamo eseguito PCR quantitativa con analisi di trascrizione inversa (RT-qPCR), che hanno rivelato un aumento dell'abbondanza di RNA messaggero nella carnitina-palmitoil transferasi-1A (Cpt1a), responsabile dell' ingresso di acil-CoA a catena lunga nei mitocondri13 - e diminuzione dell'acetil-CoA carbossilasi-1 (Acc1) -responsabile della biosintesi dell'abbondanza di malonil-CoA14-mRNA dell'inibitore di CPT1A negli astrociti primari del topo rispetto ai neuroni (Figura 1a supplementare) . Inoltre, l'abbondanza di mRNA dell'isoforma mitocondriale Acc2, che si trova altamente arricchita nei tessuti ossidativi come il muscolo scheletrico e il cuore15, dell'acetil-CoA deidrogenasi a catena lunga (Acadl), che catalizza la fase iniziale dell'ossidazione degli acidi grassi mitocondriali, di Cpt1c localizzato nel reticolo endoplasmatico e della proteina trifunzionale mitocondriale α (Mtpα), che è funzionalmente responsabile del trasferimento di elettroni dagli acidi grassi mitocondriali a catena lunga ai complessi respiratori mitocondriali I (CI) e III (CIII)16, sono risultati più elevati in astrociti contro neuroni (Figura 1a supplementare). Sebbene questi siano valori relativi, sono in coerenza con le osservazioni precedenti8,9,10 suggerendo che gli astrociti sono meglio attrezzati dei neuroni per ossidare mitocondrialmente gli acidi grassi a catena lunga. Per sostenere funzionalmente questa affermazione, il tasso di consumo di ossigeno (OCR) è stato analizzato negli astrociti e nei neuroni utilizzando la tecnologia Seahorse in terreno a base di glucosio in assenza o presenza di etomoxir: un potente e irreversibile inibitore di CPT1 (rif. 17). Come mostrato nella Figura 1b supplementare, la respirazione mitocondriale basale è risultata essere circa 1,7 volte più alta nei neuroni rispetto agli astrociti, confermando i risultati precedenti18. In particolare, la proporzione di inibizione dell'OCR mitocondriale da parte dell'etomoxir era di circa il 20% nei neuroni e di circa il 35% negli astrociti (Figura 1b supplementare), indicando che gli acidi grassi sono substrati respiratori mitocondriali preferiti per gli astrociti rispetto ai neuroni. Circa il 62% della respirazione mitocondriale astrocitica legata all'ATP era sostenuta da acidi grassi (Figura 1b supplementare).

Per studiare il vantaggio metabolico dell'ossidazione degli acidi grassi mitocondriali negli astrociti in vivo, superando altrimenti i potenziali inconvenienti degli inibitori farmacologici, abbiamo ingegnerizzato geneticamente un modello murino knockout (KO) Cpt1a specifico per gli astrociti. Per fare ciò, topi Cpt1alox/lox di 2 mesi19 sono stati iniettati per via endovenosa, attraverso il seno retroorbitale20, con particelle di virus adeno-associato (AAV) sierotipo PHP.eB che esprimono la ricombinasi Cre governata dal virus adeno-fibrillare gliale specifico degli astrociti promotore corto di proteina (GFAP) (PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP) (Fig. 1a). Questo trattamento è stato efficiente, come giudicato dall'ampia espressione della proteina fluorescente verde (GFP) nel cervello (Figura 1c supplementare). I controlli (wild-type, WT) erano topi Cpt1alox/lox che hanno ricevuto dosi equivalenti delle stesse particelle virali, tranne per il fatto che erano privi di Cre ricombinasi e tutti i topi sono stati analizzati dopo 1-9 mesi (Fig. 1a). Come mostrato in Fig. 1b (Fig. 1d supplementare), il trattamento PHP.eB-AAV-gfaABC1D-Cre-GFP ha causato una riduzione significativa dell'abbondanza di proteine ​​CPT1A nel cervello. Dato che il cervello contiene altri tipi di cellule oltre agli astrociti, abbiamo anche analizzato l'abbondanza di CPT1A negli astrociti ex vivo isolati immunomagneticamente dal cervello dei topi adulti CPT1A KO (Fig. 1a), che hanno rivelato l'abolizione di CPT1A specificamente negli astrociti positivi (ACSA +) frazione, ma non nella frazione astrociti-negativa (ACSA−) (Fig. 1c). Per accertare l'efficacia funzionale del KO CPT1A, fettine di cervello appena isolate ex vivo da topi adulti sono state incubate con acido palmitico [U-14C] per valutare il tasso di produzione di 14CO2 come indice del flusso di ossidazione degli acidi grassi. Come mostrato in Fig. 1d, il flusso di ossidazione nel cervello è stato significativamente ridotto di circa il 75% in CPT1A KO rispetto ai topi WT. Per spiegare se la perdita di CPT1A astrocitico alterasse altri percorsi del metabolismo cerebrale, abbiamo eseguito metabolomica non mirata in campioni di cervello. Come illustrato nel grafico del vulcano (Figura 1e supplementare) e nella mappa termica (Figura 1f supplementare), abbiamo trovato 17 metaboliti significativamente diminuiti e 43 metaboliti aumentati significativamente nel cervello dei topi KO CPT1A specifici degli astrociti. I risultati hanno rivelato una maggiore abbondanza di acidi grassi a catena lunga e di derivati ​​dell'acil-carnitina a catena lunga e una diminuzione dell'abbondanza di acidi grassi a catena corta (Fig. 1e), suggerendo una diminuzione dell'uso di acidi grassi a catena lunga e un aumento di acidi grassi a catena corta. In particolare, la concentrazione di piruvato è stata significativamente ridotta di circa il 26% nel cervello di topi KO CPT1A specifici per gli astrociti (Fig. 1e), suggerendo un'alterazione nel metabolismo di questo prodotto finale glicolitico intermedio.