FGF21通过调控SLC25A39介导的线粒体谷胱甘肽转运维持创伤性脑损伤后氧化还原稳态并促进神经元存活

　　为解决创伤性脑损伤（TBI）后线粒体氧化应激和神经元死亡的关键病理机制，研究人员开展了关于成纤维细胞生长因子21（FGF21）调控SLC25A39依赖性线粒体谷胱甘肽（GSH）转运的主题研究。研究发现FGF21通过抑制线粒体蛋白酶AFG3L2介导的SLC25A39降解，增强线粒体GSH导入，维持线粒体功能并减轻神经损伤。该研究揭示了FGF21-SLC25A39轴在TBI治疗中的重要机制，为开发靶向线粒体抗氧化通路的新型神经保护策略提供了理论基础。

　　

当大脑遭受外力撞击时，创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury, TBI）不仅会造成即刻的物理损伤，更会引发一系列复杂的继发性病理过程。这些后续损伤包括线粒体功能障碍、氧化应激和神经元死亡，是导致患者神经功能缺损和长期残疾的主要原因。尽管医学技术不断进步，针对TBI的有效治疗手段仍然匮乏，这促使科学家们不断探索新的神经保护策略。

近年来，一种主要由肝脏合成的多效激素——成纤维细胞生长因子21（Fibroblast Growth Factor 21, FGF21）引起了研究人员的极大兴趣。这种因子不仅参与代谢调节，还具有抗炎、抗氧化和保护线粒体功能的作用。临床研究表明，急性脑损伤患者的血清FGF21水平与神经功能预后存在相关性，动物实验也证实FGF21对脑缺血、脑出血、帕金森病和阿尔茨海默病等神经系统疾病具有保护作用。然而，FGF21在TBI中的具体作用机制尚不完全清楚，特别是它如何调控线粒体氧化应激的分子通路仍有待阐明。

线粒体作为细胞的能量工厂，也是活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的主要产生场所。当ROS过度积累时，会导致生物分子损伤和细胞死亡。因此，维持线粒体内足够的抗氧化剂水平至关重要。谷胱甘肽（Glutathione, GSH）作为细胞内最重要的抗氧化分子，虽然在细胞质中合成，但需要被转运到线粒体内才能发挥保护作用。最近的研究发现SLC25A39蛋白是负责线粒体GSH转运的关键载体，但该蛋白在TBI后的变化规律及其调控机制尚不明确。

在这项发表于《Journal of Translational Medicine》的研究中，Wang等人深入探讨了FGF21在TBI中的作用机制，特别关注了其通过调控SLC25A39介导的线粒体GSH转运来维持氧化还原稳态的分子途径。研究人员通过一系列精巧的实验设计，揭示了FGF21-SLC25A39轴在TBI病理过程中的关键作用，为开发新的治疗策略提供了重要理论基础。

本研究采用了多种关键技术方法，包括：使用可控皮质冲击（CCI）装置建立TBI小鼠模型；通过蛋白质免疫印迹（Western blot）和实时定量PCR（qRT-PCR）分析蛋白和基因表达；采用免疫组织化学和透射电子显微镜（TEM）观察组织学和超微结构变化；通过行为学测试评估神经功能缺损；利用神经元特异性条件性基因敲除小鼠（Slc25a39^f/f: Map2-CreERT2小鼠）验证基因功能；采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）检测谷胱甘肽水平；通过线粒体分离技术和酶联免疫吸附测定（ELISA）分析线粒体功能参数。

FGF21缺失加剧TBI后脑水肿、病灶体积和神经功能缺损

研究人员首先使用FGF21基因敲除小鼠探究其在TBI后的影响。结果显示，FGF21缺失显著增加了TBI诱导的脑病灶体积和脑水肿程度。行为学测试包括转棒实验、胶带去除实验和踏步错误实验都表明，FGF21缺陷小鼠在TBI后表现出更严重的神经功能缺损。相反，重组FGF21（rFGF21）治疗显著减少了脑病灶体积，减轻了脑水肿，并改善了神经功能恢复。

FGF21缺失加剧TBI后线粒体损伤和细胞凋亡

线粒体功能障碍和神经元死亡是TBI后继发性脑损伤的关键特征。超微结构分析显示，TBI后神经元中线粒体损伤显著，而FGF21敲除小鼠的线粒体损伤比野生型小鼠更为严重。线粒体损伤表现为明显的肿胀、嵴结构破坏和膜完整性丧失。FGF21缺失还加剧了TBI后呼吸链复合物活性的损伤，同时使ROS和丙二醛（MDA）水平显著升高。TUNEL染色显示，TBI诱导的神经元凋亡在FGF21敲除小鼠中更为明显。

rFGF21治疗减轻原代神经元线粒体损伤

为了研究FGF21的生物学效应，研究人员培养了原代神经元并进行了体外牵张损伤实验。与体内观察一致，MitoTracker染色显示rFGF21治疗显著减轻了牵张损伤后的线粒体形态损伤。vehicle治疗组的线粒体呈现高度互连的细长管状结构，而牵张损伤导致线粒体变成球形、缩短的形态，表明线粒体结构受损。重要的是，rFGF21治疗有效逆转了牵张损伤引起的线粒体形态改变。此外，该治疗显著减轻了线粒体功能障碍和氧化应激，表现为线粒体呼吸链复合物活性恢复以及ROS和MDA水平降低。更重要的是，rFGF21治疗显著减少了细胞死亡，并保留了牵张损伤后原代神经元的结构复杂性。

rFGF21治疗抑制AFG3L2介导的SLC25A39蛋白降解并促进线粒体GSH导入

研究人员进一步探索了FGF21保护线粒体的机制。发现rFGF21治疗增强了线粒体GSH的导入和水平，而不改变细胞总GSH浓度。最近的研究发现SLC25A39是GSH转入线粒体的关键转运蛋白。本研究观察到牵张损伤后SLC25A39蛋白水平降低，而额外的rFGF21治疗逆转了这种降低。值得注意的是，尽管SLC25A39蛋白表达发生显著变化，但其mRNA水平保持不变，表明差异转录调控不是观察到的蛋白变化的主要因素。

为了阐明SLC25A39 mRNA和蛋白水平之间的差异，研究人员用蛋白质合成抑制剂 cycloheximide（CHX）处理原代神经元。结果表明rFGF21显著延长了SLC25A39蛋白的半衰期，说明SLC25A39表达的变化归因于蛋白稳定性的改变。据报道，在正常生理条件下，SLC25A39被线粒体蛋白酶AFG3L2快速降解。虽然牵张损伤或FGF21治疗均未改变AFG3L2蛋白或mRNA水平，但牵张损伤增强了AFG3L2与SLC25A39之间的相互作用，而rFGF21治疗导致AFG3L2从SLC25A39上解离。AFG3L2的敲低阻止了牵张损伤诱导的SLC25A39下调，同时当AFG3L2被敲低时，rFGF21无法进一步促进SLC25A39的表达。

SLC25A39敲低后rFGF21治疗无法减轻线粒体损伤和神经元死亡

为了阐明SLC25A39在FGF21保护线粒体完整性和神经元存活中的作用，研究人员采用腺病毒介导的siRNA技术敲低原代神经元中的SLC25A39。发现沉默SLC25A39消除了FGF21改善牵张损伤诱导的线粒体氧化应激和功能障碍的能力，这通过线粒体形态、线粒体呼吸链复合物活性和ROS评估得到证实。此外，虽然FGF21治疗有效减少了牵张损伤后的神经元死亡，但这种神经保护作用在SLC25A39敲低后消失。这些结果表明FGF21以SLC25A39依赖的方式发挥其对线粒体损伤和神经元死亡的保护作用。

神经元Slc25a39缺失废除FGF21介导的对抗TBI后线粒体损伤和神经元凋亡的保护作用

为了阐明SLC25A39在FGF21生物学保护作用中的角色，研究人员通过将Slc25a39^f/fl小鼠与Map2-CreERT2小鼠杂交，构建了Slc25a39条件性敲除小鼠（Slc25a39 CKO）。该模型在神经元特异性Map2启动子控制下表达Cre重组酶，他莫昔芬诱导后可靶向删除Slc25a39。值得注意的是，FGF21治疗有效减轻了Slc25a39^fl/fl小鼠TBI后线粒体形态损伤。相比之下，FGF21的保护作用在Slc25a39 CKO小鼠中显著减弱。同时，FGF21治疗有效减轻了Slc25a39^fl/fl小鼠TBI后神经元凋亡，但在Slc25a39 CKO小鼠中未观察到这种效应。

神经元Slc25a39敲除废除FGF21介导的对抗TBI后脑水肿、病灶体积和神经功能缺损的保护作用

与先前发现一致，FGF21对TBI后病灶体积的保护作用在Slc25a39^fl/fl小鼠中明显，但在Slc25a39 CKO小鼠中消失。此外，神经元特异性敲除Slc25a39削弱了FGF21减少病灶体积和脑水肿的功效。行为学评估进一步证明FGF21未能促进Slc25a39 CKO小鼠的神经功能恢复。

本研究系统阐述了FGF21在创伤性脑损伤中的保护作用及其分子机制。研究表明FGF21通过抑制AFG3L2介导的SLC25A39降解，增强线粒体谷胱甘肽转运，维持线粒体功能完整性，从而减轻氧化应激和神经元死亡。这一发现不仅揭示了FGF21-SLC25A39轴在TBI病理过程中的关键作用，还为开发靶向线粒体抗氧化通路的新型治疗策略提供了理论依据。

研究的重要意义在于首次将FGF21的神经保护作用与SLC25A39介导的线粒体GSH转运联系起来，阐明了FGF21调控线粒体氧化还原稳态的具体分子途径。此外，研究证实了SLC25A39在TBI后继发性损伤中的关键作用，为理解TBI病理机制提供了新视角。这些发现不仅对TBI治疗具有重要启示，也可能为其他涉及线粒体功能障碍和氧化应激的神经系统疾病提供新的治疗思路。

然而，研究也存在一些局限性，如FGF21影响AFG3L2活性的具体机制尚不完全清楚，可能涉及翻译后修饰等过程。此外，FGF21可能激活多条抗氧化通路，这些通路之间可能存在交叉对话，形成复杂的调控网络。未来的研究需要进一步探索这些机制，并优化FGF21的治疗窗口和给药策略，以提高其临床转化潜力。

总体而言，这项研究为开发针对创伤性脑损伤的新型神经保护疗法提供了重要的理论基础，FGF21和SLC25A39作为潜在的治疗靶点，值得进一步研究和开发。