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大鼠脑中肉碱棕榈酰转移酶(CPTs)的发育调控与定位

Developmental regulation and localization of carnitine palmitoyltransferases (CPTs) in rat brain.

作者信息

Jernberg Jennifer N, Bowman Caitlyn E, Wolfgang Michael J, Scafidi Susanna

机构信息

Anesthesiology and Critical Care Medicine, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, Maryland.

Department of Biological Chemistry, Johns Hopkins University School of Medicine, Baltimore, Maryland.

出版信息

J Neurochem. 2017 Aug;142(3):407-419. doi: 10.1111/jnc.14072. Epub 2017 Jul 12.

Abstract

While the brain's high energy demands are largely met by glucose, brain is also equipped with the ability to oxidize fatty acids for energy and metabolism. The brain expresses the carnitine palmitoyltransferases (CPTs) that mediate carnitine-dependent entry of long-chain acyl-CoAs into the mitochondrial matrix for β-oxidation - CPT1a and CPT2 located on the outer and inner mitochondrial membranes, respectively. Their developmental profile, regional distribution and activity as well as cell type expression remain unknown. We determined that brain CPT1a RNA and total protein expression were unchanged throughout post-natal development (PND0, PND7, PND14, PND21 and PND50); however, CPT2 RNA peaked at PND 21 and remained unchanged through PND50 in all regions studied (cortex, hippocampus, midbrain, and cerebellum). Both long-chain acyl CoA dehydrogenase and medium acyl-CoA dehydrogenase showed a similar developmental profile to CPT2. Acylcarnitines, generated as a result of CPT1a activity, significantly increased with age and peaked at PND21 in all brain regions, concurrent with the increased expression of enzymes involved in mitochondrial β-oxidation. The CPT system is highly enriched in vivo in hippocampus and cerebellum, relative to cortex and midbrain, and is exclusively present in astrocytes and neural progenitor cells, while absent in neurons, microglia, and oligodendrocytes. Using radiolabeled oleate, we demonstrate regional differences in brain fatty acid oxidation that may be blocked by the irreversible CPT1a inhibitor etomoxir. This study contributes to the field of knowledge in brain cell-specific metabolic pathways, which are important for understanding normal brain development and aging, as well as pathophysiology of neurological diseases. Read the Editorial Comment for this article on page 347.

摘要

虽然大脑的高能量需求主要由葡萄糖满足,但大脑也具备氧化脂肪酸以供能和进行新陈代谢的能力。大脑表达肉碱棕榈酰转移酶(CPT),其介导长链酰基辅酶A通过肉碱依赖的方式进入线粒体基质进行β氧化——CPT1a和CPT2分别位于线粒体外膜和内膜上。它们的发育情况、区域分布、活性以及细胞类型表达仍不清楚。我们确定,在出生后发育过程中(出生后第0天、第7天、第14天、第21天和第50天),大脑CPT1a的RNA和总蛋白表达没有变化;然而,CPT2的RNA在出生后第21天达到峰值,并且在所有研究区域(皮质、海马体、中脑和小脑)直至出生后第50天保持不变。长链酰基辅酶A脱氢酶和中链酰基辅酶A脱氢酶均呈现出与CPT2相似的发育情况。由于CPT1a的活性而产生的酰基肉碱随年龄显著增加,并在出生后第21天在所有脑区达到峰值,这与参与线粒体β氧化的酶表达增加同时出现。相对于皮质和中脑,CPT系统在体内海马体和小脑中高度富集,并且仅存在于星形胶质细胞和神经祖细胞中,而在神经元、小胶质细胞和少突胶质细胞中不存在。使用放射性标记的油酸,我们证明了大脑脂肪酸氧化的区域差异,这种差异可能被不可逆的CPT1a抑制剂依托莫西阻断。这项研究为脑细胞特异性代谢途径的知识领域做出了贡献,这对于理解正常大脑发育和衰老以及神经疾病的病理生理学很重要。阅读第347页上关于本文的编辑评论。

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