急性缺血性卒中是全球重要的致残和致死疾病之一，它通过阻止脑部血液流动导致严重的、不可逆的脑神经损伤。在这一过程中，线粒体功能障碍和细胞生物能量应激是关键问题。线粒体作为细胞内的能量工厂，在中枢神经系统中，由星形胶质细胞向神经元的线粒体转移对于维持神经功能和修复损伤至关重要。
低密度脂蛋白相关受体蛋白1（LRP1）是重要的细胞表面受体，已证实在多种细胞过程中扮演重要角色，并与神经退行性疾病的发病机制有所关联。然而，LRP1在缺血性卒中里的具体作用尚待阐明。
2024年6月20日，西南医科大学附属医院江涌教授、四川大学华西医院李涛教授和中国科学技术大学曹洋教授联合在国际权威期刊Cell Metabolism（IF=27.7）上在线发表了题为“Astrocytic LRP1 enables mitochondria transfer to neurons and mitigates brain ischemic stroke by suppressing ARF1 lactylation” 的最新研究成果。
该研究运用4D乳酸化修饰组学，阐明了低密度脂蛋白相关受体蛋白1（LRP1）对星形胶质细胞线粒体转运的重要调控作用。首次揭示了LRP1通过调节细胞代谢影响ADP-核糖基化因子 1（ARF1）的乳酸化修饰，进而调控星形胶质细胞-神经元细胞间线粒体转移，这一过程可以拮抗缺血所造成的器官损伤。景杰生物为该研究提供了乳酸化修饰组学、乳酸化定制抗体及系列泛抗体支持。
1. LRP1缺失抑制星形胶质细胞向神经元的线粒体转移
先前研究报道，星形胶质细胞通过释放健康的线粒体到相邻的神经元，能够恢复神经元健康。因此，研究首先借助慢病毒转染构建Lrp1敲低的星形胶质细胞原代细胞和细胞系，证实LRP1缺失后培养基中的胞外线粒体数量明显减少，伴随着线粒体功能的降低，具体表现为氧气消耗率和ATP产生率降低。
氧-糖剥夺（OGD）实验进一步证实，LRP1介导的线粒体外排在星形胶质细胞保护神经元免受损伤过程中发挥重要作用。
关于线粒体外排的机制，既往文献报道了CD38环化酶参与星形胶质细胞的线粒体外排，但作者发现LRP1的缺失并不影响CD38的表达量和活性，说明LRP1调控星形胶质细胞线粒体外排的过程可能存在非CD38依赖的新机制。
图1 星形胶质细胞LRP1促进星形胶质细胞到神经元线粒体的转移
2. LRP1敲低增加星形胶质细胞的糖酵解和乳酸产生，影响线粒体释放
LRP1是低密度脂蛋白受体家族的重要功能组成部分，参与调控中枢神经系统的代谢稳态。为了明确LRP1对星形胶质细胞代谢的影响，研究人员运用靶向代谢组学等技术发现表明Lrp1敲低后的星形胶质细胞中，糖酵解和氧化磷酸化过程均被激活。此外，Lrp1敲低显著增加了星形胶质细胞对葡萄糖的摄取。
13C同位素标记等实验验证发现LRP1的缺失，通过促进GLUT1介导的葡萄糖摄取，以及激活MAPK-c-MYC信号通路增强星形胶质细胞的糖酵解过程，从而增加乳酸的产生。
同时研究发现乳酸水平的升高与线粒体释放的减少相关联。使用LDHA/B选择性抑制剂处理星形胶质细胞，以及敲除Ldha和Ldhb基因来阻断乳酸和丙酮酸的相互转化，观察到乳酸的产生减少和细胞外线粒体和ATP水平的增加。同时给予星形胶质细胞急性乳酸暴露后，同样出现了乳酸浓度依赖性的线粒体外排减少，这提示乳酸浓度的变化可能通过影响某种胞质蛋白的功能来调控线粒体外排。
图2 Lrp1沉默促进星形胶质细胞糖酵解和乳酸代谢
3. ARF1 K73乳酸化介导LRP1诱导的线粒体释放
乳酸化修饰是一种乳酸浓度依赖性的新型蛋白修饰，在2019年首次被证实和报道。基于此，研究进一步探索LRP1是否通过乳酸化修饰发挥作用。
研究发现Lrp1敲低可显著提升星形胶质细胞中赖氨酸乳酸化修饰水平。运用4D乳酸化修饰组学技术对对照组和Lrp1敲低的星形胶质细胞进行了分析，发现LRP1敲减后136个蛋白和163个位点的乳酸化修饰存在显著差异。其中ADP-核糖基化因子1（ARF1）上第73位的赖氨酸乳酸化（ARF1-Kla73）与LRP1具有最高的功能相似性，且在线粒体释放中具有潜在功能。
图3 ARF1 K73乳酸化介导LRP1诱导的线粒体释放
4.星形胶质细胞ARF1-K73乳酸化减少线粒体转移并加重脑I/R 伤
接下来作者在动物体内进行了验证。通过眶后静脉窦注射靶向星形胶质细胞的AAV，干预LRP1的表达并过表达ARF1乳酸化修饰突变体，发现敲减LRP1或促进ARF1乳酸化修饰可引起脑脊液中星形胶质细胞来源的线粒体数量下降。免疫荧光和双光子扫描也证实了神经元中星形胶质细胞来源的线粒体明显减少。
随后，作者通过大脑中动脉栓塞（MCAO）建立脑缺血模型，结果发现Lrp1敲低的小鼠在MCAO手术后表现出更大的脑梗死区域，且表现出更差的神经功能。此外，在梗死区域边缘的神经元内，特别是来自星形胶质细胞的线粒体数量减少，并且这些神经元的线粒体功能受损。证实了LRP1-ARF1 Kla73轴在调控星形胶质细胞线粒体转运中的重要作用。
图4 星形胶质细胞 ARF1-K73乳酸化减少线粒体转移并加重脑 I/R 损伤
综上所述，研究运用乳酸化修饰组学揭示了LRP1在线粒体转移中的新功能，即：LRP1通过调节星形胶质细胞的乳酸代谢和ARF1的乳酸化修饰，进而影响线粒体的外排和转移。ARF1 K73的乳酸化修饰则可能通过限制线粒体的转移来加剧脑损伤，减少ARF1 K73的乳酸化修饰可能通过促进线粒体的转移来保护神经元。研究为理解线粒体稳态和乳酸化修饰在脑缺血中风中的作用机制提供了新的视角，为开发脑缺血中风的治疗策略提供新的思路。
景杰评述
由此可见，由细胞代谢的产物——乳酸分子与蛋白质的赖氨酸残基结合而衍生的乳酸化修饰作为一种近年来发现的新型翻译后修饰类型，不仅参与了细胞内多种生物学过程的调控，包括细胞信号转导、代谢途径、蛋白质降解以及细胞应激反应，而且还在多种疾病的发生发展中扮演着关键角色。正如本研究提到的乳酸化修饰在星形胶质细胞与神经元之间的线粒体转移中扮演着至关重要的角色，这一过程对于脑缺血再灌注损伤后的细胞恢复和功能维持具有显著影响。
值得一提的是，线粒体作为营养物质代谢的主要场所，其代谢过程的中间产物，如乳酸、琥珀酰辅酶A等，能够介导蛋白质发生翻译后修饰。当线粒体与酰化/新型酰化修饰强强联合，则能极大增强研究的创新性，例如：
作为本文共同通讯的四川大学华西医院李涛教授团队，先前研究运用4D乙酰化修饰组学揭示了线粒体在射血分数降低心衰患者发生发展过程中作用机制（点击链接详细解读：4D修饰首秀-四川大学华西医院李涛教授团队揭示酮体β-羟基丁酸靶向调控线粒体-炎症环路减轻HFpEF）；广州市妇女儿童医疗中心韦建瑞教授团队运用巴豆酰化修饰组学首次揭示了缺血/再灌注 (I/R) 损伤后的巴豆酰化修饰图谱，并证明了线粒体和肌丝蛋白巴豆酰化在I/R损伤应激反应中对心脏修复至关重要（点击链接详细阅读：Circ Res | 广州市妇女儿童医疗中心韦建瑞团队揭示心肌损伤中巴豆酰化介导的修复机制）。返回搜狐，查看更多
