抑郁症是一种伴随能量代谢紊乱的精神疾病，重度抑郁症（MDD）是社会面临的严重健康挑战。抑郁症患者经常观察到下丘脑-垂体-肾上腺轴反应失调，糖皮质激素（GCs）释放异常。然而，GCs和大脑能量代谢之间的相关病因仍知之甚少。
2023年5月，山东第一医科大学附属济宁市第一人民医院江沛团队在Molecular Psychiatry（IF 13.437）上在线发表了题为“Targeting PDK2 rescues stress-induced impaired brain energy metabolism”的成果。研究揭示了抑郁症表现的一种新机制，GR通过直接结合PDK2的启动子区，并通过调节神经元TCA流量和ATP生成进一步激活PDK2的转录，可能在维持大脑能量稳态中发挥重要作用。
01研究结果
1、慢性社会挫败应激（CSDS）增强PDK2的表达和PDH的磷酸化
作者发现抑郁症动物模型CSDS小鼠的能量代谢被干扰。鉴于PDH是丙酮酸进入TCA循环后氧化的关键调控因子，作者检测了PDH活性，发现CSDS小鼠皮层中PDH酶活性显著降低，且与SI比值呈正相关。进一步检测发现CSDS小鼠额叶皮层、海马和下丘脑中PDK2 mRNA水平显著高于对照组，且仅在皮层中PDK2 mRNA水平与SI比值呈显著负相关。Western blotting结果显示CSDS小鼠额叶皮层的PDK2蛋白水平显著升高，导致PDH磷酸化水平显著升高。此外，免疫荧光染色结果显示PDK2主要表达于神经元和星形胶质细胞中，体外实验证实了这一点，且CSDS暴露更明显地诱导神经元中PDK2表达。
图1. CSDS暴露后小鼠皮层中PDK和磷酸化PDH表达增强
2、GR通过结合PDK2启动子区域调节PDK2的表达
糖皮质激素是能量代谢和应激反应的重要调节因子，血清皮质醇和皮质酮( CORT )含量分别在MDD患者和CSDS小鼠中显著升高。作者进一步评估了CORT对神经元凋亡和GR转运的影响，发现CORT处理显著提高了Cleaved caspase-3的表达。CORT处理的神经元诱导GR表达增加，导致GR向细胞核转运。进一步检测发现CORT暴露导致PDK2表达增加和PDH活性抑制。GCs通过激活GR调节基因转录，GR与靶基因启动子区域的GREs结合，作者进一步研究发现GR结合PDK2启动子并调节神经元中PDK2的表达。
图2. GR通过与其启动子结合来调控PDK2基因的表达
3、PDK2抑制可减轻CSDS诱导的抑郁行为
作者发现暴露于CORT会抑制糖酵解途径进入TCA循环的碳通量，导致神经元功能所需能量供应不足；相反，PDK2耗竭对葡萄糖通量进入TCA循环有显著的促进作用。为评估GR-PDK2-PDH轴是否影响CSDS小鼠的行为，对CSDS小鼠进行每天腹腔注射RU486或DCA (PDK抑制剂) 1次处理，连续10天。SPT、FST和EPM测试发现，RU486或DCA可以挽救CSDS诱导的抑郁样行为。此外，CSDS增加了PDK2和p-PDH水平，而RU486或DCA治疗显著逆转了这些作用。RU486或DCA处理的神经元形态学异常得到改善，CSDS组大鼠皮层神经元凋亡细胞数量明显高于对照组; 然而，RU486或DCA治疗逆转了这种效果。
图3. PDK2抑制可减轻CSDS诱导的抑郁行为
4、神经元特异性敲低PDK2可增加PDH活性并增强对压力的恢复能力
为研究GR或PDK2对PDH活性的作用，作者通过将GR或PDK2的shRNA嵌入miR30结构，并利用AAV载体（AAV9-hSyn-shGR / AAV9-hSyn-shPDK2）在小鼠神经元中特异性敲低GR或PDK2。结果显示，GR或PDK2特异性敲低的CSDS小鼠的SI高于对照 (AAV9-hSyn-sh-NC)组，表明GR或PDK2阻止了应激敏感性的诱导。GR敲低显著降低了PDK2 mRNA和蛋白的水平。此外，GR或PDK2敲除显著降低了Ser293和Ser300残基的PDH磷酸化。值得注意的是，GR或PDK2抑制对PDH表达没有影响，但增加了PDH活性。结果显示，注射AAV9-hSyn-sh-GR-和AAV9-hSyn-sh-PDK2小鼠的ATP含量和NADH/NAD+比值明显高于对照小鼠。
图4. 神经元特异性敲低PDK2可增加PDH活性并增强对压力的恢复能力
02小结
综上所述，本研究证实GR通过直接结合PDK2的启动子区来调节神经元TCA通量和ATP生成，进而激活PDK2的转录，这可能在维持脑能量稳态中发挥重要作用。抑制PDK2表达可改善CSDS诱导的行为学缺陷和脑损伤，本研究发现了抑郁症发病机制的新机制，为抑郁症的治疗提供了潜在的治疗靶点。