Müller细胞在视网膜糖酵解作用机制中的研究进展△

何沐霖 余嘉珍 莫亚

Müller细胞是视网膜神经胶质细胞的主要成分，通过摄入葡萄糖，进行糖酵解代谢，为视网膜神经元提供能量和神经递质，视网膜Müller细胞通过糖酵解获得其代谢所需的三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)，这种代谢方式可以为处于低氧环境下的视网膜神经元节省氧耗，同时为感光细胞和神经元提供营养和抗氧化支持，并调节血-视网膜屏障的紧密性，以维持视网膜的稳态和完整性。本文就视网膜中糖酵解的主要代谢途径及产物、视网膜Müller细胞的功能及Müller细胞与糖酵解前体代谢产物之间的作用机制作一综述。

1 视网膜中的糖酵解

糖酵解是指将葡萄糖或糖原分解转化为丙酮酸及乳酸，并生成ATP和还原性辅酶Ⅰ的代谢过程。视网膜细胞通过这一过程为其相关代谢活动提供部分能量及维持稳态支持。葡萄糖是包括视网膜在内的神经组织中能量代谢的主要底物。视网膜表现出高水平的能量代谢，需要持续供应血糖来维持功能[1]。己糖激酶是糖酵解途径第一步的催化酶，在视网膜光感受器内部，将葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖(conversion of glucose to glucose 6-phosphate,G6P)，然后进一步代谢为视网膜细胞需要的ATP，并为神经元提供神经递质前体和乳酸。葡萄糖被磷酸化为G6P，这是一种重要的调节分子，在糖酵解某些特定情况下，可以转化为糖原，糖原可以在能量缺乏时充当能量来源[2]。G6P通过葡萄糖磷酸异构酶催化生成果糖6-磷酸(fructose 6-phosphate,F6P)，磷酸果糖激酶催化F6P转变为果糖1,6-6-二磷酸的ATP依赖性磷酸化。丙酮酸激酶(pyruvate kinase，PK)是糖酵解最后一步的催化酶，磷酸从磷酸烯醇丙酮酸转移到ADP，每个糖酵解所用的葡萄糖产生2个ATP分子。目前存在4种PK同工型酶：L、R、M1、M2。相关研究表明，丙酮酸激酶同工酶2(pyruvate kinase isozyme type M2，PKM2)是视网膜视杆细胞和视锥细胞中主要的同工型，并且经历了光依赖性酪氨酸磷酸化，研究表明磷酸肌醇3-激酶激活促进PKM2磷酸化[3]。将葡萄糖重新定向至合成代谢过程的开关是由PKM2介导的，PKM2是在视网膜光感受器中PK表达的主要形式，通过磷酸化来抑制PKM2会导致磷酸烯醇丙酮酸积聚[4]。

研究表明，丙酮酸通过其清除各种活性氧的特性，可以抑制氧化应激，从而起到神经保护作用。丙酮酸对光损伤的光感受器具有保护作用[5]。光感受器的结构和活力、正常的神经元-神经胶质相互作用以及视网膜代谢的动态平衡均需要线粒体氧化的丙酮酸[6],而视网膜色素上皮(retinal pigment epithelium，RPE)细胞通过线粒体丙酮酸载体将丙氨酸作为线粒体的底物，从而支持视网膜代谢[7]。视网膜拥有乳酸穿梭这种独特的代谢特征，其主要特征为低氧状态下的细胞可以释放乳酸，乳酸会扩散到更需氧的部位进行氧化[8]。乳酸穿梭不仅在视网膜神经胶质细胞中有大量体现[9]，在视网膜其他位置也有所体现，例如视网膜释放的乳酸会被RPE细胞消耗[10]。

2 Müller细胞在视网膜中作用机制的研究进展

哺乳动物视网膜是一个代谢活跃的组织，通常通过摄取葡萄糖和氧气来满足能量需求。糖原是神经组织中唯一重要的能量储备。在视网膜中，糖原和糖原磷酸化酶主要位于Müller细胞中[11]。Müller细胞是由多能祖细胞产生的，是唯一覆盖所有视网膜层、具有与相邻神经元接触并参与内外限制膜过程的细胞类型[12]。因此，Müller细胞可以很好地监视视网膜的稳态，并有助于视网膜的结构完整和功能正常[13]。在这种情况下，其充当了在不同视网膜细胞和隔室之间转移各种分子的屏障和导管[14]，通过释放营养因子，回收神经递质并控制细胞外空间的离子平衡来支持神经元[15]。此外，Müller细胞吞噬视锥细胞外段，有助于视锥细胞外段的组装，并参与特定视锥细胞的视觉循环，从而有助于回收视网膜发色团以进行光检测[16]。最近研究发现，Müller细胞不依赖于其稳态功能，而是通过充当“光纤”将光导引至光感受器而直接有助于视觉[17]。Müller细胞发挥着祖细胞的特征，包括基因的表达、增殖反应以及在特殊条件下产生神经元的能力[18]。

Müller细胞通过介导跨细胞离子、水和碳酸氢盐的转运，可控制细胞外空间液的组成，为感光细胞和神经元供养和给予抗氧化支持，并调节血-视网膜屏障的紧密性[19]。在病理条件下，反应性Müller细胞可通过释放抗氧化剂和神经营养因子来保护组织免受进一步损害，一部分可能分化为神经祖细胞/干细胞，从而再生失去的感光细胞和神经元，通过摄取谷氨酸盐，Müller细胞可以更直接地参与内部视网膜突触活性的调节[20]。在对斑马鱼的研究中，Müller细胞对视网膜损伤的反应涉及重编程事件，该事件赋予了视网膜干细胞特征，并使其产生大量的祖细胞，这些祖细胞可以再生所有主要的视网膜细胞类型并恢复视力[21]。

Müller细胞对视网膜损伤具有显著的复原力，这可能归因于其独特的生理特性。Müller细胞通过改变形态、生物化学和生理学来应对视网膜损伤和疾病，这种损伤反应通常被称为反应性神经胶质增生。根据损伤的严重程度，这种反应可能包括Müller细胞增殖，对损伤的增生和非增生反应均伴随着基因和蛋白质表达的变化，并且通常与Müller细胞肥大有关[22]。这种反应性神经胶质增生对神经元有益，其途径是通过防止谷氨酸神经兴奋性毒性产生的同时释放多种保护神经元的因子[23]。但是，Müller细胞增生还可能导致神经变性，并通过形成神经胶质增生而阻碍视网膜组织的再生过程。

3 糖酵解代谢产物与视网膜Müller细胞的关系

糖酵解占Müller细胞总葡萄糖利用率的99%，线粒体葡萄糖氧化仅占1%[24]。葡萄糖由葡萄糖转运蛋白转运进入细胞被己糖激酶磷酸化为G6P，然后进一步代谢为星形胶质细胞局部所需要的ATP，并为神经元提供神经递质前体和乳酸[25-26]。星形胶质细胞摄入葡萄糖，进行糖酵解代谢，在这个过程中突触周围输出神经递质的前体和乳酸盐[27]。视网膜Müller细胞主要通过低耗氧的糖酵解途径获得其代谢所需ATP，为视网膜神经元，特别是在正常生理条件下处于低氧环境下的内核层和神经节细胞层节省氧耗[28]。人星形胶质细胞的内质网通过螯合来积累葡萄糖，这需要G6Pase-β参与，破坏序列会抑制细胞葡萄糖的摄取、ATP的产生和内质网 Ca2+的摄取[29]。星形胶质细胞群大小的变化，可以改变血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)水平和传播方式，从而造成细胞网干扰血管生成的模式。因此，当星形胶质细胞的数量发生改变时，星形胶质细胞和血管网的形态都会受到干扰，这些干扰会导致视网膜出血[30]。有证据显示核因子红系2相关因子(nuclear factor-erythroid 2-related factor 2,NRF2)通过部分基因的转录调控来调节糖酵解和增殖[31]。NRF2是控制抗氧化反应和2期酶的转录因子[32]，在人和小鼠视网膜中的Müller胶质细胞中显著表达[33]。而Müller细胞暴露于高半胱氨酸会触发强大的抗氧化反应，其特征是NRF2表达增加，氧化应激是一种氧化与抗氧化间的病理状态[34]，NRF2在Müller细胞线粒体和糖酵解对高同型半胱氨酸血症的适应性反应中起重要作用，对由于高同型半胱氨酸血症或高半胱氨酸兴奋导致氨基酸水平升高诱导的青光眼中视网膜神经节细胞凋亡有正向调节作用[35]。

3.1 六碳化合物与Müller细胞的关系糖酵解代谢中的六碳化合物主要有G6P和F6P。未折叠的蛋白反应在引起代谢破坏的应激条件下，在视网膜Müller细胞中被激活[36]，未折叠的蛋白反应激活期间诱导X-box结合蛋白1表达[37]，X-box结合蛋白1的激活通过调节己糖胺生物合成途径来防止缺血性损伤[38]。己糖胺生物合成途径应用于糖酵解中间体，F6P由谷氨酰胺合成果糖6磷酸氨基转移酶产生氨基葡萄糖6磷酸和谷氨酸。对Müller细胞的最新研究显示，星形胶质细胞能够通过葡萄糖6磷酸酶的活性隔离内质网腔中的葡萄糖，从而确保己糖激酶不受氨基葡萄糖6磷酸胞质浓度的抑制，并允许葡萄糖转运[39]。

3.2 三碳化合物对视网膜Müller细胞的保护作用丙酮酸属于糖酵解途径中前体代谢产物中的三碳化合物。尽管Müller细胞存在PK的缺陷，在Müller细胞中PK的表达极少。但相关代谢通量分析表明，光感受器和Müller细胞之间的代谢关系不同于大脑中某些神经元和星形胶质细胞之间的关系[40]。有证据显示丙酮酸并不是通过改善Müller细胞的能量状态而起作用，而是通过清除过量的自由基而起到保护Müller细胞的作用[41]。丙酮酸脱羧得到乙酰辅酶A，乙酰辅酶A也是糖酵解过程中一种前体代谢物，通过星形胶质细胞和神经元中均存在的单羧酸盐载体将乳酸传递至神经元，神经元将乳酸转化为丙酮酸，并用于合成乙酰辅酶A，为三羧酸循环提供原料。同时，Müller细胞中谷氨酸转化为谷氨酰胺，谷氨酰胺释放到神经元中，细胞响应神经元活化而释放的乳酸被神经元吸收，氧化为丙酮酸并应用于合成三羧酸的乙酰辅酶A[42]。NH4+转移了从线粒体到乳酸过程中丙酮酸通量的产生和释放[43]。Müller细胞还使用糖酵解的中间体发生了几种代谢反应，合成丝氨酸是其中之一。丝氨酸是由3-磷酸甘油酸生物合成的，3-糖磷酸是在糖酵解的第7步中从葡萄糖衍生而来的3碳糖。3-磷酸甘油酸通过3个酶催化步骤转化为丝氨酸，该途径对于视网膜稳态是重要的，因为视网膜神经元缺乏甘油酸脱氢酶，因此依赖Müller神经胶质来产生丝氨酸[44]。

3.3 乳酸与Müller细胞存活和功能的维持乳酸是由丙酮酸在缺氧环境下还原而来，在脊椎动物的视网膜中，产生能量的方式更像是肿瘤代谢而不是大脑代谢。有氧糖酵解在视网膜中占80%～96%[45]。在有氧和无氧条件下比较Müller细胞中乳酸的产生速率，可得出巴斯德效应为1.3[46]。 通常，Müller细胞主要依靠有氧糖酵解来生成ATP，从该过程中获得更高的ATP产量，但仅通过氧化磷酸化获得少量ATP。这种特征也被称为Warburg效应，即糖酵解优于氧化磷酸化，这使Müller细胞在缺氧条件下为周围神经元保留氧气，局部神经元激活，乳酸通过K+刺激的阴离子通道从星形胶质细胞中释放出来[47]。乳酸是维持Müller细胞存活和功能的关键成分。L-乳酸暴露可防止Müller细胞中糖原的完全消耗，增加葡萄糖补充和限制细胞中谷氨酸的摄取，提高了Müller细胞的存活率[48]。细胞从摄取的葡萄糖或糖原中产生和释放L-乳酸，pH依赖性的L-乳酸盐转运是由人Müller细胞中的单羧酸盐转运蛋白1介导的[49]。神经递质和(或)细胞外K+通过cAMP/PKA信号通路触发糖原分解直至乳酸。乳酸通过单羧酸盐转运蛋白1离开细胞,并通过单羧酸盐转运蛋白2进入神经元。细胞外乳酸还与羟基羧酸受体1结合，后者在血管周和突触后膜中水平更高。乳酸通过间隙连接在视网膜Müller胶质细胞之间传播[50]。Müller细胞通过使用神经元中的乳酸和天冬氨酸替代其缺失的PK来补偿其独特的代谢适应性[51]。Müller细胞捕获在兴奋性神经传递过程中释放的谷氨酸盐，并以谷氨酰胺的形式将其发送回神经元。视网膜Müller细胞在谷氨酸盐环境下可以响应NH4+急性刺激Müller细胞产生和释放乳酸，并且与线粒体对丙酮酸的吸收有强烈的抑制作用[52]。氮也可以以氨基酸形式从神经元穿梭到星形胶质细胞，谷氨酸抑制了氧的消耗，这种现象归因于胞质酸化导致线粒体酸化[53]，糖尿病大鼠视网膜Müller细胞中的谷氨酸水平升高，而Müller细胞中的谷氨酸水平升高会引起谷氨酸兴奋性毒性[54]。从谷氨酸能轴突释放的谷氨酸被神经元和围绕突触的星形胶质细胞吸收，谷氨酸的吸收是由钠依赖性载体介导的，并触发了Na+/K+-ATPase活性的增加，这个过程通过消耗ATP能刺激糖酵解、葡萄糖利用和乳酸生产[55]。

4 小结与展望

Müller细胞作为视网膜中主要神经胶质细胞，近年来的研究热点多集中在干细胞再生相关领域，鉴于视网膜疾病的不可逆性，Müller细胞的自主神经再生能力极小，本文通过对糖酵解前体代谢产物与视网膜Müller细胞之间的作用机制的总结归纳，发现Müller细胞参与视网膜中糖酵解途径中的G6P、F6P、丙酮酸及乳酸的代谢过程，对视网膜神经元提供能量支持，从而促进视网膜中细胞损伤的修复，对视网膜相关疾病有一定的治疗和保护作用。视网膜Müller细胞的增生一定程度上可以改善视功能，但Müller细胞的过度增生会阻碍视网膜组织的再生过程，未来科研和临床在如何调控视网膜Müller细胞过度增生方面需继续深入探索和研究，以期为视网膜相关疾病的治疗提供新的研究思路。