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Sci Adv丨丙酮酸如何支持神经活动？

泰然健康网
2025-05-18 16:03

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大脑需要持续、稳定的能量供应才能正常运作。当代谢过程无法支持能量生成时，例如在缺血性中风或失控的糖尿病情况下，认知功能会迅速丧失。即使在健康的大脑中，葡萄糖这一主要能量来源的获取也相对不可靠。大脑间质液中的葡萄糖浓度较低（约1 mM），并且在高神经元活动期间、禁食和睡眠时会进一步减少。神经元消耗皮层中约40%的总ATP以维持突触传递，这一过程是认知的基础。大脑中葡萄糖水平的波动，加上有限的糖原储存，表明神经元必须依赖替代能源来维持突触传递，这些替代燃料包括氨基酸、酮体、丙酮酸及其衍生物乳酸。丙酮酸可以通过葡萄糖的糖酵解或氨基酸如丙氨酸、丝氨酸和苏氨酸的分解产生，神经元获取丙酮酸的主要途径是通过血液供应或由邻近星形胶质细胞释放的乳酸。尽管丙酮酸输送到大脑的生理意义尚不清楚，但已知形成血脑屏障的内皮细胞和星形胶质细胞末端表达单羧酸转运蛋白，可以将丙酮酸从血液输送到大脑间质液。磁共振成像显示丙酮酸可以从循环系统进入人脑，支持丙酮酸作为大脑能量来源的观点。然而，丙酮酸在支持神经元功能方面的程度及其在神经元中氧化的分子机制仍不完全清楚。丙酮酸通过线粒体基质中的三羧酸循环被氧化，而其一旦通过单羧酸转运蛋白进入神经元胞质，丙酮酸必须穿过线粒体内外膜才能接触到三羧酸循环酶。电压依赖性阴离子通道使线粒体外膜对丙酮酸等代谢物高度通透，然而丙酮酸通过线粒体内膜的通道由线粒体丙酮酸载体（mitochondrial pyruvate carrier, MPC）促进，MPC是由两个亚基MPC1和MPC2组成的多聚体复合物。通过调节丙酮酸进入线粒体基质及其接触三羧酸循环，MPC在能量代谢中起着关键的分支点作用。MPC在多种人类病理中（包括癌症、心脏肥大、糖尿病和小头畸形）的重要性进一步突显，越来越多的研究聚焦于MPC治疗神经系统疾病（如帕金森病）；然而很少有关于检查MPC在神经系统中的功能的研究，特别是在突触传递的代谢控制中。

已有数学模型表明，线粒体丙酮酸摄取是刺激氧化ATP合成的限制步骤，在酵母细胞的有氧生长条件下通过表达具有增强运输动力学的MPC同工酶来上调丙酮酸氧化。然而，这一机制在哺乳动物细胞中并不保守，且尚不清楚MPC活性在神经元等高能需求细胞中是否或如何调节。华盛顿大学的Ghazaleh Ashrafi团队，在Science Advances上发表项研究成果Mitochondrial pyruvate transport regulates presynaptic metabolism and neurotransmission，提出线粒体丙酮酸运输对神经末梢ATP生成至关重要，并调节突触小泡（synaptic vesicle, SV）循环的不同步骤，揭示了线粒体丙酮酸运输的翻译后调控机制。

图源 Science Advances

已有研究表明，急性补充丙酮酸可以维持神经传递的能量，但长期供应丙酮酸是否能在缺乏葡萄糖的情况下支持神经元存活尚不明确。为了研究啮齿动物大脑中的丙酮酸代谢，研究人员对短暂禁食的小鼠进行了13C3标记的丙酮酸的静脉注射，并使用液相色谱-质谱法分析了血清、大脑皮层和肝脏中的代谢产物，结果显示丙酮酸和乳酸能够穿过血脑屏障进入大脑间质液，并在大脑中优先被氧化。研究人员进一步在体外培养的皮层神经元中进行对照实验（将神经元分为三组：一组供应葡萄糖（5 mM）；一组供应等摩尔混合的乳酸和丙酮酸（各5 mM）；另一组则不提供葡萄糖或乳酸/丙酮酸，即燃料剥夺）。结果显示，在缺乏葡萄糖的情况下，补充乳酸和丙酮酸可以将神经元的存活率从约20%提高到约50%，表明丙酮酸在缺乏葡萄糖的情况下可以部分维持神经元的存活。通过液相色谱-质谱法分析，发现供应丙酮酸的培养物中丙酮酸及三羧酸循环中间体的水平较高，表明丙酮酸通过三羧酸循环的通量增加。这些发现表明，丙酮酸不仅是大脑的有效氧化燃料，而且在缺乏葡萄糖的情况下可以部分维持神经元的存活。

图1 丙酮酸在完整脑组织中被有效氧化，且是初级神经元培养的代谢燃料

线粒体丙酮酸载体MPC在神经系统中高表达，但其在神经元中的亚细胞分布尚不清楚。研究人员通过对海马体神经元进行免疫染色，发现MPC1和MPC2亚基不仅存在于神经元细胞体中，还与突触前蛋白vGLUT1（vesicular glutamate transporter 1）共定位，表明其在突触前终端的表达。研究人员使用荧光丙酮酸传感器PyronicSF开发出一种定量光学测定法，证明MPC在轴突线粒体中介导丙酮酸摄取。研究人员随后通过shRNA敲低MPC1，完全抑制了PyronicSF对外源丙酮酸的荧光响应，验证了报告基因的特异性和正确定位。进一步研究发现，MPC抑制剂UK5099在乳酸和丙酮酸存在下显著降低了突触前ATP水平，表明MPC在丙酮酸氧化中的关键作用。这些结果表明，MPC复合物存在于突触前线粒体中，并且对神经末梢的氧化丙酮酸代谢至关重要。

图2 MPC对于神经末梢中的丙酮酸代谢是必不可少的

突触小泡SV的释放和回收是神经传递中的关键过程，多个步骤如SV对接、释放和可释放池的补充都依赖于ATP，并对代谢扰动高度敏感。研究发现MPC介导的丙酮酸摄取对神经末梢的氧化ATP合成至关重要。通过近全内反射荧光成像和计算检测方法，研究人员在培养的海马突触中观察到，MPC抑制剂UK5099显著降低了单次动作电位（single action potential, AP）刺激下的SV释放概率（release probability, Pr），并减少了突触活性区（synaptic active zone, AZ）内的释放位点数量，同时增加了相同释放位点的重复利用率。高频刺激实验证明MPC抑制显著削弱了SV释放和回收的效率，表明MPC在调节突触传递的时空特性方面具有关键作用，即MPC介导的线粒体丙酮酸摄取在单次AP和高频刺激下均调节SV释放和回收的时空特性。

图3 线粒体对丙酮酸的摄取调节SV释放和回收的时空特性

赖氨酸乙酰化是一种可逆的翻译后修饰，对线粒体功能的调节起重要作用。其中，线粒体蛋白质的乙酰化被认为是非酶促的，其乙酰基的去除则是由线粒体去乙酰化酶Sirtuin 3（Sirt3）催化。研究人员发现，神经元葡萄糖缺乏会诱导Sirt3表达，从而刺激神经末梢的氧化代谢。在Sirt3缺失小鼠的肝脏和糖尿病心脏中，MPC2的过度乙酰化表明乙酰化可能是调节MPC活性的机制。为了研究Sirt3是否通过去乙酰化调节MPC复合物的丙酮酸转运活性，研究人员在HEK293细胞中表达了光学丙酮酸传感器mtPyronicSF，发现Sirt3敲低显著削弱了线粒体丙酮酸积累。免疫沉淀实验结果也显示，Sirt3缺失的小鼠大脑中MPC1的乙酰化水平显著增加。通过构建乙酰化位点突变体MPC1-AA，进一步确认了MPC1的K45和K46是主要乙酰化位点。这些结果说明，Sirt3通过调节MPC1的乙酰化状态来影响线粒体丙酮酸摄取，并且Sirt3的缺失会损害丙酮酸的线粒体摄取。

图4 Sirt3调节线粒体中的丙酮酸摄取和线粒体丙酮酸载体的乙酰化

研究人员通过构建一个乙酰化模拟的MPC1突变体（MPC1-QQ），探讨了MPC1乙酰化是否调节MPC复合物的丙酮酸转运活性。结果显示，MPC1-QQ突变体无法恢复MPC1缺失细胞中的线粒体丙酮酸摄取，说明乙酰化的MPC1在丙酮酸转运方面存在缺陷。进一步发现，在海马神经末梢中，MPC1乙酰化显著减慢了SV在电刺激后的回收速度。尽管表达野生型MPC1可以恢复MPC1缺失终端的SV回收，但乙酰化模拟的MPC1-QQ突变体未能实现这一功能。这些结果表明，乙酰化的MPC1在线粒体丙酮酸转运和突触传递的代谢支持方面存在缺陷，确立了赖氨酸乙酰化在MPC复合物调节中的功能重要性。

图5 一个模拟乙酰基的MPC1蛋白变体会损害线粒体丙酮酸摄取和SV检索功能

这项研究揭示了线粒体丙酮酸载体MPC在神经末梢能量代谢和突触传递中的关键作用。研究中发现，MPC通过调节丙酮酸进入线粒体基质支持氧化ATP合成，并影响突触小泡SV的释放和回收。Sirt3通过去乙酰化调节MPC1的活性，Sirt3缺失会导致MPC1的过度乙酰化，从而削弱丙酮酸的线粒体摄取和突触传递的代谢支持。这些发现为理解神经元能量代谢提供了新的视角，并可能为治疗代谢相关的神经疾病提供新的靶点，在未来的研究中可进一步探讨MPC和Sirt3在其他神经元类型和病理状态下的作用，以及开发针对MPC调控的治疗策略。

原文地址

https://doi.org/10.1126/sciadv.adp7423

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