黄芪甲苷保护线粒体HK-II防止脑缺血损害中神经元Parthanatos死亡的研究

Mitochondrial homeostasis is essential for neural survival and function. Hexokinase II (HK-II) is key enzyme in glycolysis and establishes the couple between glycolysis in the cytosol and aerobic oxidation in mitochondria oxidative by binding to mitochondria. Glutamate excitotoxicity mediates neuronal damage in the stroke and emerging evidence demonstrates the implication of parthanatos in neuronal death in brain ischemic injury. Astragaloside IV is the main component of Astragalus membranaceus (Fisch.)Bge with beneficial effects on neuroprotection. In cardiomyocytes, astragaloside IV regulates Akt activity. Therefore, we hypothesizes that astragaloside IV promotes HK-II binding to mitochondria via Akt activation, and prevents parthanatos in neurons by protecting mitochondria. In the present study, we will investigate the protective effect of astragaloside IV on mitochondrial HK-II with focus on the regulation of mitochondrial energy metabolism, aiming to elucidate the molecular mechanism through which astragaloside IV blocks parthanatos signaling cascades by protecting mitochondrial structural and functional integrity. We wish that these findings not only provides a novel insight into the molecular mechanism by which Astragaloside IV protected the brain against cerebral ischemia/reperfusion injury, but also suggests that regulation of mitochondrial HK-II might be a therapeutical targets against parthanatos in neuron.

线粒体稳态对神经元存活具有重要意义。己糖激酶2（HK-II）是糖酵解反应的限速酶，它与线粒体结合构建了糖酵解与线粒体有氧氧化的偶联。新近发现神经元Parthanatos的发生是脑缺血损害的主要因素。黄芪甲苷是黄芪的主要活性成分，具有神经保护作用。前期研究发现：黄芪甲苷有Akt调节活性，因此我们推测：黄芪甲苷通过Akt活化，促进HK-II与线粒体结合，防止神经元Parthanatos发生。在此研究中，我们将以线粒体稳态为关注点，观察黄芪甲苷通过Akt途径促进HK-II与线粒体结合，防止线粒体结构功能紊乱的作用，进一步揭示线粒体结构功能稳定阻断Parthanatos发生的可能路径，籍此确认黄芪甲苷通过维持线粒体稳态，抑制Parthanotos发生的作用机制。此研究成果将揭示黄芪甲苷发挥神经保护作用的分子机制，并提示保护线粒体上HK-II有可能是防治Parthanatos死亡的治疗靶标。

在现代社会中，心脑血管疾病是影响人类健康的主要疾病，其中缺血性脑卒中由于其高致残率和致死率严重威胁生命与健康。脑缺血通过不同途径引起神经元死亡，缺血后级联反应导致的线粒体功能障碍是导致神经元死亡的重要原因和可能的共同通路，因此维持线粒体稳态对神经元的存活具有重要意义。黄芪甲苷是中药黄芪中提取的一种天然皂苷化合物，具有抗氧化、抗炎、调节能量代谢等作用，在治疗心脑血管疾病、肾病、糖尿病等方面具有重要价值。在本项研究中，我们以线粒体稳态作为关注点，考察黄芪甲苷通过Akt途径促进己糖激酶（HK-II）与线粒体结合，防止线粒体结构功能紊乱促进神经元存活的作用，进一步揭示线粒体结构功能稳定阻断Parthanatos发生的可能路径，籍此确认黄芪甲苷通过维持线粒体稳态，抑制Parthanotos发生的作用机制。. 脑缺血损害发生时，突触前膜释放大量谷氨酸，通过神经元突触后膜上NMDA受体介导兴奋性毒性引起细胞死亡。因此，我们以谷氨酸作为刺激剂，诱导HK-II从线粒体解离并引起线粒体功能受损，主要表现为线粒体通透性转换孔（mPTP）开放、线粒体膜电位（MMP）崩溃。同时我们还观察到DNA氧化性损伤、PAR形成和凋亡诱导因子（AIF）的核转位等现象，这些结果表明：在缺血条件下parthanatos死亡与细胞凋亡共存。之后我们考察了黄芪甲苷的保护作用，发现黄芪甲苷激活Akt抑制HK-II从线粒体解离，减少促凋亡蛋白和AIF的释放，从而保护神经元免于凋亡和parthanatos死亡。最后，我们在整体动物水平上确认黄芪甲苷保护线粒体HK-II对抗PARP-1/AIF介导的神经元Parthanatos死亡的药效作用、分子靶点和机制。总之，这些结果表明：谷氨酸兴奋毒性损害线粒体HK-II并同时诱导细胞凋亡和由线粒体功能障碍引起parthanatos死亡。黄芪甲苷激活Akt抑制HK-II与线粒体解离，维持线粒体结构和功能完整性有助于保护神经元免受细胞凋亡和parthanatos死亡。这些发现证明了线粒体HK-II在神经元保护中的重要作用，拓展改善糖代谢和线粒体功能对神经元的保护的新认识，为中药和天然药物在此邻域的拓展应用提供新的策略。