GLUT1 与人类局灶性皮质发育异常脑葡萄糖低代谢：关键基因甲基化揭秘及诊疗新希望

时间：2025年4月9日

来源：Molecular Neurobiology

编辑推荐：

为探究局灶性皮质发育异常（FCD）中葡萄糖转运蛋白 1（GLUT1）的调控及脑低代谢机制，研究人员对手术切除的人脑标本进行研究。结果发现 FCDIIa/b 亚型关键葡萄糖调节基因高甲基化，DNA 甲基化抑制剂可调节相关蛋白表达和细胞功能，为 FCD 的诊疗提供新方向。

在神经领域，癫痫一直是个令人头疼的 “顽疾”，局灶性皮质发育异常（Focal Cortical Dysplasia，FCD）更是导致药物难治性癫痫的重要 “幕后黑手”。当大脑遭遇 FCD，就像精密的仪器出现了故障，神经血管代谢陷入混乱，其中葡萄糖代谢的异常变化尤其引人注目。葡萄糖作为大脑的 “能量源泉”，正常情况下，通过葡萄糖转运蛋白 1（Glucose Transporter 1，GLUT1）跨越血脑屏障进入大脑，为神经细胞的正常运转提供动力。然而，在 FCD 区域，GLUT1 的含量常常大幅减少甚至消失，这使得大脑陷入 “能量危机”，进而引发癫痫。

此前，虽然已经知道 FCD 与葡萄糖代谢异常存在关联，但其中的具体机制却如同迷雾一般，让人捉摸不透。FCD 的不同亚型在葡萄糖代谢方面有何差异？是什么因素在背后调控着 GLUT1 的表达和功能？这些问题亟待解决。为了揭开这些谜团，来自美国克利夫兰诊所（Cleveland Clinic）等机构的研究人员踏上了探索之旅。

研究人员从患有药物难治性癫痫的患者身上获取了手术切除的大脑组织标本，并将其进行组织病理学分类，包括 FCDIIa、FCDIIb、轻度皮质发育异常（mild malformations of cortical development，mMCD）、少突胶质细胞增生（oligodendroglial hyperplasia，MOGHE）以及非病灶性新皮质区域。同时，还选取了部分匹配的大脑和血液样本进行研究。

在技术方法上，研究人员主要运用了以下几种关键技术：首先是甲基化测序（Methyl-seq），通过该技术分析 FCD 各亚型和非病灶组织样本的 DNA 甲基化变化，确定关键基因的甲基化差异；其次是蛋白质免疫印迹法（Western blot），用于检测 GLUT1、血管内皮生长因子 α（Vascular Endothelial Growth Factor α，VEGFα）、单羧酸转运蛋白 2（Monocarboxylate Transporter 2，MCT2）和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（Mammalian Target of Rapamycin，mTOR）等蛋白质的表达水平；此外，还利用双渠道固定化氧化酶酶分析仪测量大脑组织样本中的葡萄糖和乳酸水平，以及采用细胞培养技术，对原发性脑内皮细胞（EPI-EC）和人胚肾（HEK）细胞进行处理和研究。

研究结果如下：

基因甲基化差异区分 FCD 亚型：研究发现，FCDIIa/b 大脑组织中 GLUT1（SLC2A1）、脑源性神经营养因子（Brain-Derived Neurotrophic Factor，BDNF）、MTOR 和 VEGFα 等关键葡萄糖代谢基因的 DNA 甲基化水平显著升高，这种甲基化模式能够有效区分 FCDIIa/b 与其他 FCD 亚型、mMCD、MOGHE 以及非病灶组织。
FCDIIa/b 的代谢特征与蛋白表达变化：在 FCDIIa/b 脑组织中，GLUT1 表达明显降低，葡萄糖与乳酸的比值也显著下降，同时 VEGFα 和 MCT2 蛋白水平升高。而且，这些变化与患者的年龄、性别、癫痫发作起始年龄以及癫痫持续时间均无关，表明它们是由疾病病理本身导致的。
mTOR 信号通路激活：FCDIIa/b 大脑组织中 mTOR 信号通路显著激活，mTOR、p - mTOR 和 p - S6K 的表达水平明显高于 MOGHE 和非病灶组织，进一步证实了该信号通路在 FCD 病理过程中的重要作用。
DNA 甲基化抑制剂的作用：使用 DNA 甲基化抑制剂地西他滨（decitabine，5Aza）处理 EPI-ECs 后，GLUT1 水平显著升高，VEGFα 表达降低，细胞葡萄糖摄取功能恢复，ATP 酶活性也恢复到正常水平。在 HEK 细胞中，地西他滨同样能够降低 mTOR 信号和 MCT2 水平，表明 DNA 甲基化在调节细胞葡萄糖代谢和相关信号通路中起着关键作用。

研究结论和讨论部分指出，本研究首次揭示了 FCDIIa/b 中关键葡萄糖调节基因的高甲基化特征，为 FCD 的诊断提供了潜在的生物标志物。同时，研究表明葡萄糖摄取减少可能是由于 GLUT1 受抑制所致，而 DNA 甲基化在调节 GLUT1 表达和细胞葡萄糖代谢中发挥着重要作用。这一发现为 FCD 的治疗开辟了新的道路，未来有望通过调节 DNA 甲基化来改善 FCD 患者的葡萄糖代谢异常，从而为癫痫的治疗提供新的策略。

然而，该研究也存在一些局限性，样本量相对较小，且实验条件的差异可能会引入混杂因素。尽管如此，这项研究为后续更广泛的研究奠定了基础，未来研究人员可以进一步扩大样本量，深入探讨 DNA 甲基化与癫痫之间的关系，以及如何将这些研究成果转化为临床实践，为癫痫患者带来更多的希望。该研究成果发表在《Molecular Neurobiology》上，为神经科学领域的研究提供了重要的参考，推动了人们对 FCD 和癫痫发病机制的认识，也为相关疾病的诊断和治疗提供了新的思路和方向。