α-酮戊二酸通过调控胰岛素-ATM信号轴改善共济失调毛细血管扩张症小鼠模型的胰岛素抵抗和代谢紊乱

本研究针对共济失调毛细血管扩张症(A-T)患者存在的胰岛素抵抗和代谢紊乱问题，揭示了ATM激酶作为胰岛素信号通路关键介质的新功能。研究人员发现ATM缺失导致PKM2和HIF1α功能失调，引发葡萄糖不耐受和谷氨酰胺依赖性代谢重组。补充α-酮戊二酸(α-KG)可有效缓解Purkinje细胞变性，表明外周代谢缺陷是A-T神经退行性变的重要驱动因素。该研究为A-T的代谢干预提供了新策略。

在罕见病研究领域，共济失调毛细血管扩张症(Ataxia-Telangiectasia, A-T)一直是一个令人困惑的谜题。这种由ATM基因功能缺失突变引起的常染色体隐性遗传病，不仅表现为进行性小脑共济失调和免疫缺陷，还伴随着一系列令人费解的代谢异常——生长迟缓、肌肉萎缩、意外体重减轻，甚至在老年患者中出现血脂异常、葡萄糖不耐受、非酒精性脂肪肝和糖尿病等代谢合并症。更令人惊讶的是，临床研究发现胰岛素抵抗与A-T患者小脑和运动功能的恶化密切相关，这提示代谢紊乱可能是推动神经退行性变的关键因素。

长期以来，ATM激酶主要被认为在DNA损伤应答中发挥核心作用，但越来越多的证据表明它也在代谢调控中扮演重要角色。胰岛素作为调节营养物质吸收和代谢过程的关键激素，其信号通路与ATM之间存在着令人关注的交集。先前研究发现ATM是胰岛素信号的下游介质，促进胰岛素刺激的葡萄糖代谢，但许多关键问题仍未解决：胰岛素激活ATM的精确机制是什么？ATM是否在协调胰岛素敏感细胞中分解代谢和合成代谢状态之间的动态转换中发挥作用？为什么这些代谢紊乱主要导致A-T的共济失调症状，而不是同样与小脑损伤相关的认知和精神疾病？

发表在《Nature Communications》的这项研究给出了令人振奋的答案。研究人员发现ATM缺失会导致全身性胰岛素抵抗和代谢灵活性丧失，引发代偿性的谷氨酰胺依赖性代谢重组。特别重要的是，他们发现胰岛素敏感的小脑Purkinje细胞——尤其是那些表达Zebrin-II/ALDOC、在小脑蚓部后叶和絮结叶中解剖学丰富的细胞——对ATM缺失相关的代谢变化特别敏感。这种解剖学特异性易感性导致了A-T共济失调和运动相关症状的发展。

研究团队证明补充α-酮戊二酸(α-ketoglutarate, α-KG)——谷氨酰胺的α-酮酸骨架——能够减轻谷氨酰胺依赖性，减弱Purkinje细胞变性。这些发现表明外周代谢缺陷可能导致A-T中持续的神经退行性变化，强调了在患者中筛查、监测和解决这些代谢紊乱的重要性。

研究人员运用了多种关键技术方法：使用Atm基因敲除(KO)小鼠模型进行体内代谢表型分析；通过间接热量测定评估呼吸商(respiratory quotient, RQ)和代谢灵活性；采用稳定同位素标记的葡萄糖(13C6-U-glucose)和谷氨酰胺(13C5-U-glutamine)进行代谢流分析；利用磷酸化蛋白质组学分析胰岛素刺激后的信号网络；通过免疫组织化学和免疫印迹评估蛋白表达和定位；使用单细胞RNA测序数据挖掘分析人和小鼠小脑细胞类型特异性表达谱。人源样本来自Coriell医学研究所的A-T患者成纤维细胞库和小脑组织数据库。

ATM缺失导致系统性胰岛素抵抗和代谢不灵活性

研究人员首先在相当于人类青春期(3月龄)和成年早期(6月龄)的Atm-KO小鼠中进行了全面代谢分析。虽然年轻小鼠的物理参数没有明显差异，但在6月龄Atm-KO中观察到明显的生长迟缓和体重减轻。通过Kraft测试评估葡萄糖耐受性(静脉葡萄糖耐受测试, IGTT)和胰岛素反应，发现3月龄小鼠虽然表现出接近正常的葡萄糖耐受性，但血浆胰岛素谱升高表明存在前驱糖尿病胰岛素抵抗。相比之下，大多数6月龄Atm-KO小鼠出现葡萄糖不耐受并伴有胰岛素反应受损，提示向2型糖尿病进展。

间接热量测定测试显示，6月龄Atm-KO小鼠在光暗周期中都表现出持续、非波动的呼吸商(RQ)值(0.8-0.9之间，表明蛋白质分解代谢)，而其他实验组在黑暗周期中表现出从蛋白质/脂质代谢向碳水化合物分解代谢(RQ=0.9-1)转换的强大能力。这种因胰岛素抵抗和糖尿病并发症导致的代谢灵活性缺乏，耗尽了脂肪储备和骨骼肌。

小脑Purkinje细胞对胰岛素敏感且与外周胰岛素抵抗功能相关

研究发现ATM在小脑皮层中的基因表达水平在出生前和出生后期间始终高于其他脑区域。胰岛素受体(INSR)也表现出类似的表达模式。免疫组织化学分析显示INSRβ和IRS1信号在Purkinje细胞(IP3R1+)中显著存在，提示它们对来自外周循环的胰岛素具有响应性。

在体内环境下，记录IGTT引入血糖激增后的胰岛素反应时间动态。通常，血浆胰岛素水平升高持续时间约为2小时，然后恢复到接近基线水平。在所有Atm-KO小鼠中，在IGTT启动前和启动后2小时检测到脑脊液(CSF)中基础和饱和胰岛素浓度升高，这与其他前驱糖尿病模型中发现的现象相似。

功能上，运动和协调功能的行为评估与相应的HOMA-IR指数显示出负相关。这促使研究人员检查从6月龄小鼠IGTT后2小时采集的小脑组织。Atm-KO组显示胰岛素抵抗的迹象，其特征是INSRβ的酪氨酸自磷酸化减少，同时IRS1的丝氨酸磷酸化增加。

ATM缺陷导致小脑糖酵解不足和向谷氨酰胺依赖转变

全局代谢谱分析显示，与"蛋氨酸代谢"和"甘氨酸和丝氨酸代谢"相关的代谢物在ATM缺失的情况下持续升高，而常见下调的代谢物主要涉及中央糖酵解网络(如Warburg效应、糖异生、糖酵解、果糖和甘露糖降解)，提示糖酵解活性降低。参与多种脂质生物合成途径的代谢物也减少。

体外小脑培养的线粒体燃料依赖性分析显示，从葡萄糖到谷氨酰胺作为主要呼吸燃料的显著转变。进一步同位素示踪分析表明，即使在未刺激条件下，葡萄糖向甘油-3-磷酸(G3P, M+3)和α-酮戊二酸(α-KG)(M+2, M+4来自第二轮TCA)的通量在Atm-KO中已经受损。经过2小时的glargine暴露，Atm-WT组迅速将葡萄糖碳重新导向各种合成代谢命运，而glargine对Atm-KO组中的葡萄糖命运影响很小。

关于增强的谷氨酰胺依赖性，命运追踪显示Atm-KO表现出固有的GABA生物合成贡献减少，而其在线粒体中的氧化命运增强。相反，在Atm-WT中，基线谷氨酰胺介导的GABA合成很高，但在glargine刺激后急剧减少。

Zebrin-II/ALDOC阳性的Purkinje细胞依赖糖酵解，更容易受到ATM缺失导致的代谢重编程影响

靶向脂质组学分析显示，几种脂肪酸、磷脂和鞘脂的丰度在Atm-KO中降低。免疫印迹分析进一步支持了这一观点，揭示了Purkinje细胞标志物(calbindin)的信号减少，但不是颗粒神经元(NeuN)的标志物。免疫组织学检查证实了IP3R1+ Purkinje细胞数量、胞体直径和攀缘纤维连接(VGlut2)的特定损失。

这些变化在小脑蚓部后叶(即小叶L6-L9)和絮结叶(即L10)中更为突出，这些区域与全身姿势、运动和平衡有关。ALDOC水平在Atm-KO中更显著降低，这种变化通过L7-L10小叶中ALDOC+ Purkinje细胞数量的类似减少模式得到进一步验证。

核定位的PKM2共激活HIF1α——有氧糖酵解调节因子，重塑有利于葡萄糖向脂质生物生成的合成代谢命运的代谢景观

研究人员在6月龄Atm-WT和Atm-KO小鼠中每天给予glargine剂量，持续四周，以模拟持续高胰岛素血症状况。结果显示，仅接受glargine或与TEPP-46联合给药的小鼠仅表现出轻微的葡萄糖处置受损迹象，但代偿性高胰岛素血症和胰岛素敏感性降低的迹象更加明显。

在Atm-WT小鼠中，glargine单独给药观察到的体重显著增加在共同给予TEPP-46的情况下得到缓解，表明在代谢功能性PKM2四聚体存在的情况下，慢性胰岛素的促合成代谢效应被废除。相反，由于ATM缺乏可以直接无效胰岛素的合成代谢效应，这个年龄的Atm-KO小鼠本来就有胰岛素不敏感，甚至可能在开始这个治疗方案之前就被认为是前驱糖尿病或糖尿病。

补充α-酮戊二酸——谷氨酰胺的α-酮酸，减轻ATM缺陷相关的内源性谷氨酰胺浪费和胰岛素抵抗

研究发现ATM缺陷条件下，糖酵解不足引发了对氨基酸（特别是谷氨酰胺）作为线粒体替代碳源的代偿性依赖。虽然谷氨酰胺的主要来源是骨骼肌，但持续分解蛋白质以满足身体对其作为燃料增加的需求可能导致瘦肌肉质量减少，进一步增加胰岛素抵抗和其他代谢并发症的风险和进展。

α-KG作为谷氨酰胺/谷氨酸衍生的α-酮酸，在细胞碳和氮代谢之间作为关键连接点发挥重要作用。研究发现循环中的α-KG可以通过载体介导和被动扩散机制穿越血脑屏障。在靶细胞表面，结合形式的α-KG作为二价阴离子的跨膜运输可以通过钠依赖性二羧酸转运蛋白有效促进。

在体外小脑培养中引入重度标记的1,2,3,4-13C4-α-KG有效地竞争了重度标记的13C5-U-谷氨酰胺作为线粒体燃料的参与，表明α-KG具有替代内源性谷氨酰胺耗竭的潜在能力。组织氨水平也降低了，证实α-KG是一种危险性较小但更有效的代谢补充替代品。

在体内环境下，一项小型试点研究使用年轻Atm-KO小鼠首先评估了2%钙α-KG(CaAKG)的安全性和耐受性。结果显示，经过相同持续时间饮食补充2% CaAKG的小鼠表现出更优异的血糖控制结果。基于这个试点结果，后续实验通过饮食补充方法将治疗持续时间延长至185天。

生存率分析显示，从饮食中接受2% CaAKG的Atm-KO小鼠死亡率显著降低，这种改善可能与增强的整体生长有关，表现为体长增加和瘦骨骼肌质量的更好保存。作为α-酮酸(RQ>1)，CaAKG通过自身作为生物燃料克服了与碳水化合物利用效率低下相关的挑战。

研究结论表明，胰岛素激活的ATM触发了一个独特的磷酸化蛋白质组网络，对于将葡萄糖代谢命运从分解代谢转变为合成代谢至关重要。当ATM缺失时，发生广泛的代谢重编程，导致对氨基酸（尤其是谷氨酰胺）作为线粒体替代燃料源的代偿性依赖。这些改变使胰岛素敏感的Purkinje细胞容易受到与ATM缺陷相关的代谢变化影响，从而有助于A-T共济失调和运动相关症状的发展。

该研究证明了补充α-酮戊二酸可以作为替代代谢物，减轻系统性谷氨酰胺依赖性、葡萄糖不耐受，同时解决与氨神经毒性相关的问题。这些发现强调了外周代谢缺陷在A-T持续小脑变化发展中的重要作用，并为管理人类A-T和其他具有类似代谢挑战的疾病提供了潜在治疗靶点。

这项研究不仅揭示了ATM在胰岛素信号和代谢调控中的新功能，还为理解外周代谢紊乱如何影响神经系统健康提供了重要见解，为A-T的治疗提供了新的代谢干预策略。