神经元活动诱导GLUT3膜转运新机制：PKCε-KLC1轴调控记忆获取的能量供应

《Communications Biology》：Neuronal activity-induced GLUT3 plasma translocation supports energy demands for memory acquisition

本研究针对神经元活动依赖性葡萄糖摄取机制不明确的科学问题，开展了GLUT3膜转运调控记忆获取能量代谢的研究。研究人员发现PKCε磷酸化GLUT3的Thr232/Ser246位点，增强其与KLC1结合，促进GLUT3膜插入。该过程特异性支持记忆获取阶段的葡萄糖摄取和ATP生成，揭示了神经元直接葡萄糖代谢在记忆形成中的关键作用，为认知障碍能量代谢干预提供了新靶点。

　　

大脑作为人体最耗能的器官，其能量供应机制一直是神经科学领域的核心问题。神经元活动需要大量能量支持，而葡萄糖是大脑的主要燃料。然而，当神经元被激活时，它们如何快速获取足够葡萄糖来满足突触传递和可塑性过程的能量需求，这一直是未解之谜。传统的星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭假说认为神经元优先使用星形胶质细胞产生的乳酸，但近年来的在体研究显示神经元活动会直接增加葡萄糖的摄取。

在这一科学背景下，山东大学陈哲宇教授团队在《Communications Biology》上发表了重要研究，揭示了神经元活动诱导GLUT3葡萄糖转运体膜转运的分子机制及其在记忆获取中的关键作用。研究人员发现，记忆形成过程中，海马神经元通过PKCε介导的GLUT3磷酸化，促进其与驱动蛋白KLC1的结合，从而将GLUT3快速转运至细胞膜，增加葡萄糖摄取，满足记忆获取的能量需求。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：利用表面比率荧光测定法监测GLUT3膜转运；通过结构域交换和点突变技术鉴定GLUT3功能域；采用GST pull-down结合质谱分析筛选互作蛋白；使用在体光纤光度法实时监测葡萄糖和ATP动态变化；通过海马区微量注射TAT肽干扰技术和多种行为学范式评估记忆功能。

Ratiometric fluorescence assay for monitoring GLUT3 recruitment to the cell surface

研究人员首先建立了监测GLUT3膜转运的荧光比率测定方法。通过在GLUT3第一个胞外环插入HA标签，C端融合GFP，在非透化条件下用抗HA抗体染色，以594/488荧光强度比定量表面GLUT3水平。发现KCl刺激诱导GLUT3快速膜转运，30分钟达到平台期，半衰期约11.4分钟，而GLUT1无此变化。

CFC training induces hippocampus GLUT3 plasma translocation

在体实验发现，情境恐惧条件反射训练后30分钟，海马背侧GLUT3膜表达达到峰值，2小时恢复基础水平，总GLUT3蛋白无变化。仅暴露环境无电击的对照组无此效应，表明GLUT3膜转运特异性关联记忆形成。

232-256 aa of GLUT3 is necessary and sufficient for its activity-dependent plasma membrane insertion

通过GLUT3-GLUT1嵌合体交换实验，发现GLUT3第6环(232-256氨基酸)是活动依赖性膜转运的必要且充分结构域。将该区域移植至GLUT1可赋予其活动依赖性膜转运能力。

Phosphorylation of GLUT3 at Thr232 and Ser246 regulate its activity-dependent plasma membrane insertion

质谱分析和磷酸化抗体检测发现，KCl刺激增加GLUT3丝氨酸/苏氨酸磷酸化。点突变实验证实Thr232和Ser246是调控膜转运的关键磷酸化位点，双位点模拟磷酸化突变体TS/2D在基础状态下即可实现膜转运。

PKCε phosphorylates GLUT3 and regulates its plasma translocation

GST pull-down质谱分析鉴定出PKCε与GLUT3互作。体外磷酸化实验证实PKCε直接磷酸化GLUT3的Thr232和Ser246位点。药理学实验显示PKCε特异性抑制剂ε-V1-2阻断KCl诱导的GLUT3膜转运，而激动剂DCP-LA模拟此效应。

Phosphorylation of GLUT3 at T232 and S246 residues enhances its binding with KLC1

Co-IP实验发现，KCl刺激增强GLUT3与KLC1的结合，而TS/2A突变体丧失此结合能力，TS/2D突变体则增强结合。表明磷酸化通过增强GLUT3-KLC1互作促进膜转运。

TAT-GLUT3(2D) interference with training-induced hippocampus GLUT3 plasma translocation

设计细胞穿透肽TAT-GLUT3(2D)竞争性抑制GLUT3-KLC1互作。海马区注射该肽阻断CFC训练诱导的GLUT3膜转运和GLUT3-KLC1结合，而不影响基础状态GLUT3膜定位。

TAT-GLUT3(2D) impairs hippocampus-dependent memory acquisition

行为学实验显示，TAT-GLUT3(2D)注射损伤新奇位置识别和情境恐惧记忆获取，但不影响记忆巩固、提取或运动功能。在Morris水迷宫中，该处理延长逃避潜伏期，减少平台穿越次数。

Neuronal energy supply deficit resulting from blocking activity-dependent GLUT3 plasma translocation

TAT-GLUT3(2D)处理阻断KCl诱导的葡萄糖摄取和ATP生成。在体光纤记录显示，CFC训练期间，该肽导致神经元内葡萄糖和ATP水平下降，而MCT抑制剂4-CIN不影响训练时ATP水平，表明神经元在记忆编码阶段主要依赖直接葡萄糖摄取。

Enhanced CFC memory acquisition via acute exercise-induced GLUT3 plasma Translocation

急性运动通过增加PKCε磷酸化和GLUT3膜转运增强CFC记忆获取，该效应可被TAT-GLUT3(2D)阻断，提示运动改善认知的潜在机制。

本研究系统阐明了神经元活动依赖性GLUT3膜转运的分子机制及其在记忆获取中的能量供应作用。PKCε介导的GLUT3磷酸化通过增强其与KLC1的结合，驱动GLUT3膜转运，增加葡萄糖摄取和ATP生成，特异性支持记忆获取阶段的能量需求。这一发现不仅深化了对大脑能量代谢调控的理解，而且为认知障碍疾病的代谢干预提供了新靶点。研究还提示急性运动可能通过激活这一通路改善认知功能，为认知健康促进提供了理论依据。

该研究的重要创新在于揭示了神经元活动依赖性葡萄糖摄取的精确调控机制，明确了不同能量底物在记忆不同阶段的特异性作用：直接葡萄糖摄取支持记忆获取，而乳酸穿梭主要参与记忆巩固。这一发现解决了长期以来关于神经元能量供应途径的争议，为理解认知功能的能量基础提供了新框架。