临港实验室联合解析脑内磷酸根稳态和脑钙化的分子与细胞机制
在西班牙马德里的普拉多博物馆（Museo del Prado），陈列着一幅十五世纪荷兰画家希罗尼穆斯·博斯（Hieronymus Bosch）创作的《疯狂之石的提取》（”The Extraction of the Stone of Madness”）。油画描绘了一位江湖医生试图从患者脑中取出可能导致愚昧的“疯狂的石头”的场景(图1左)，折射了中世纪人们对脑疾病机理的想象。1930年，德国医生Theodor Fahr在脑功能障碍的病人脑组织上真的观察到这种“疯狂的石头”(图1右，脑内白色影像)。脑钙化（Brain Calcification）是一种较常见的神经退行性病变。其中，原发性基底节脑钙化（Primary Basal Ganglion Calcification, PBGC），又称PFBC或者Fahr病，主要表现为双侧皮层下脑区的钙化，产生运动、认知和精神等多种脑功能症状。据测算，全世界有近800万人，中国约130万人受PBGC困扰。
遗传学研究发现PBGC与编码磷酸根转运体的基因SLC20A2（编码PiT2）或 (Xenotropic And Polytropic Retrovirus Receptor 1, XPR1)的缺陷型突变有关。无机磷酸根（inorganic phosphate, Pi）的稳态维持对生命健康至关重要。人体血液中的Pi水平维持在0.8到1.5 mM之间，而脑脊液中Pi均线浓度仅为0.35到0.5 mM。此外，大脑以2%的体重比消耗了人体20%的能量，此中ATP水解产生的Pi在细胞外累积会导致炎症和神经毒性。那么，大脑为何要消耗大量能量维持脑内的低Pi细胞外环境，其分子和细胞机制是什么？
2024年7月16日，临港实验室非人灵长类模型研发平台程学文副研究员与中国科学院脑科学与智能技术卓越中心熊志奇研究员、福建医科大学附属第一医院陈万金教授的合作团队在神经科学期刊Neuron杂志发表了题为Astrocytes modulate brain phosphate homeostasis via polarized distribution of phosphate uptake transporter PiT2 and exporter XPR1的研究论文。该研究发现星形胶质细胞依赖呈极性分布的PiT2和XPR1磷转运体在脑内磷酸根稳态中的发挥主导作用，揭示了星胶细胞磷转运功能缺陷引发的脑内磷稳态失衡是PBGC脑钙化发生的关键病理因素，为开发原发性基底节脑钙化新型AAV疗法提供概念性策略。
该合作研究团队在2018年6月发表的Neuron论文中从隐性突变PBGC家系鉴定了首个致病基因MYORG，其特异性表达于星形胶质细胞。该论文在星胶细胞与脑内Pi稳态的关系方面进行了深入研究。
首先，磷转运体基因Pit2和Xpr1在星形胶质细胞中高表达，而神经元则主要表达Pit1和Xpr1。星形胶质细胞围绕突触间隙的突起小叶（leaflet）中高表达磷转入蛋白PiT2，而包裹血管的终足(end-feet)结构则富集分布磷转出蛋白XPR1，这种极化的分布模式赋予了星胶细胞特殊的磷转运潜能。
其次，星胶细胞中特异性敲除编码Pi摄入型转运体的Pit2基因，或者编码Pi转出磷转运体的Xpr1基因，均可导致脑脊液中的Pi浓度显著上升，而其它类型神经细胞中的敲除对脑脊液中Pi浓度影响较小，说明星胶细胞通过PiT2和XPR1在维持脑内磷稳态中起主导作用。再者，基于32P同位素标记的实验发现星胶细胞的Pi转运能力至少是神经元的2.5倍，且这种高效力磷转运能力依赖于Pit2基因的表达。脑钙化隐形遗传致病基因产物—MYORG，通过与星形胶质的PiT2相互作用促进后者的细胞膜表达，从而增强其Pi转运能力。
最后，采用可穿透血脑屏障的AAV递送体系在Pit2基因全身敲除的小鼠模型上进行在星形胶质细胞中选择性回补表达PiT2，可明显降低全敲小鼠的脑脊液Pi水平，且脑钙化沉积也显著改善。这种概念性的AAV疗法(Glial Replacement Acquired Calcification Elimination, GRACE)，有望为脑钙化患者提供一种基于病因修复的新型基因疗法。
磷是生命重要的元素之一。血液中Pi水平的异常可引发严重疾病，比如慢性肾脏疾病患者血磷水平的升高导致的血管和瓣膜钙化可危及生命。尽管大脑的高耗能已广为人知，但ATP水解产物Pi如何被处理的问题却被忽视了。本研究进一步拓展了星胶细胞在脑内Pi稳态调节中的框架认识(图2)。有科学家发现，动物血液中Pi浓度的高低与不同物种的平均寿命呈线性负相关(图3)，提示磷稳态失衡健康带来的影响在物种间也是保守的。血液中代谢物水平异常的疾病如糖尿病，高血脂的危害已有很多认识。其对健康的渐进但严重的影响，推动糖脂代谢异常在症状还没有出现时就进行控制已成为临床共识。当前，脑内磷酸根水平异常对脑健康的影响还有很多问题需要进一步研究。该论文的研究结果揭示了脑内磷酸根稳态失衡与脑钙化之间的关系，为脑衰老和神经退行性病变的代谢机制与干预研发开启了新的方向。
临港实验室程学文副研究员、福建医大第一医院赵淼博士、临港实验室陈蕾博士、中国科学院脑智卓越中心黄晨伟为论文共同第一作者。熊志奇研究员、陈万金教授、程学文副研究员为共同通迅作者。中国科学院脑智卓越中心蒲慕明研究员、竺淑佳研究员、刘静宇研究员和周嘉伟研究员，北京脑科学与类脑研究中心戈鹉平研究员，上海交大精神卫生中心朱永川教授为该研究提供了大力支持和指导。中科院脑智中心和临港实验室的动物、光学和分子平台的同仁，以及相关研究组的同学与同事为该工作提供了重要支持。本项目受到国家科技创新2030重大项目、国家自然科学基金委、上海市科委重大项目、临港实验室、福建省科技厅及卫健委的经费资助。
