Исследователи из Института Гладстона и Калифорнийского университета в Сан-Франциско (США) вырастили в лаборатории «чистые» нейроны и экспериментально показали, как нервные клетки потребляют и метаболизируют глюкозу, а также как они адаптируются к нехватке сахара, сообщает Институт Гладстона. Новые данные, представленные в журнале Cell Reports, помогут лучше понять развитие нейродегенеративных заболеваний.
Многие продукты, которые мы едим, расщепляются на глюкозу, которая хранится в печени и мышцах, перемещается по всему телу и метаболизируется клетками, чтобы обеспечить химические реакции, поддерживающие нашу жизнь. Около четверти полученной глюкозы в день «съедает» наш мозг.
Но что именно происходит с глюкозой в мозге? Раньше ученые предполагали, что сами нейроны не усваивают сахар, а расщеплением глюкозы занимаются глиальные клетки, которые затем «кормят» нейроны. Однако доказательств в поддержку этой теории было мало — отчасти из-за того, что в лаборатории трудно создавать чистые культуры нейронов, в которых нет глиальных клеток.
В этом исследовании ученые смогли вырастить «чистые» нейроны человека. Для этого они использовали индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, которые могут превратиться в клетки любого типа в организме.
Затем исследователи смешали нейроны с меченой формой глюкозы, которую они могли отслеживать, даже когда она расщеплялась. Этот эксперимент показал, что сами нейроны способны поглощать глюкозу и перерабатывать ее в более мелкие метаболиты.
Чтобы точно определить, как нейроны используют продукты метаболизма глюкозы, команда удалила из клеток два ключевых белка с помощью инструмента редактирования генов – CRISPR. Один из белков позволяет нейронам импортировать глюкозу, а другой необходим для гликолиза — основного механизма, с помощью которого клетки обычно метаболизируют глюкозу. Когда ученые удаляли любой из этих белков в изолированных нейронах, расщепление глюкозы останавливалось.
«Это самое прямое и ясное свидетельство того, что нейроны метаболизируют глюкозу посредством гликолиза и что им нужно это топливо для поддержания нормального уровня энергии», — говорит руководитель исследования Кен Накамура, доцент кафедры неврологии Калифорнийского университета в Сан-Франциско.
На примере мышей ученые проверили, как работает нейрональный метаболизм глюкозы у живых животных. Они отредактировали нейроны (не затрагивая другие клетки мозга) так, чтобы им не хватало белков, необходимых для импорта глюкозы и для гликолиза. В результате у мышей с возрастом развились серьезные проблемы с обучением и памятью. Это говорит о том, гликолиз необходим для нормальной работы нервных клеток. Нейровизуализация помогла подтвердить, что нейроны метаболизируют глюкозу посредством гликолиза у живых животных.
Кроме того, группа исследовала, как адаптируются нейроны, когда они не могут получать энергию за счет гликолиза, что бывает при некоторых заболеваниях головного мозга. Оказалось, что нейроны используют другие источники энергии, такие как родственная молекула сахара галактоза. Тем не менее, галактоза не смогла полностью компенсировать потерю метаболизма глюкозы.
Результаты этого исследования помогут лучше понять, как изменения в нейрональном метаболизме глюкозы связаны с заболеваниями головного мозга и как «энергетическая терапия» может воздействовать на мозг для улучшения функции нейронов.
[Иллюстрация: Cell Reports]
