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大腦需要持續(xù)、穩(wěn)定的能量供應(yīng)才能正常運作。當(dāng)代謝過程無法支持能量生成時，例如在缺血性中風(fēng)或失控的糖尿病情況下，認(rèn)知功能會迅速喪失。即使在健康的大腦中，葡萄糖這一主要能量來源的獲取也相對不可靠。大腦間質(zhì)液中的葡萄糖濃度較低（約1 mM），并且在高神經(jīng)元活動期間、禁食和睡眠時會進一步減少。神經(jīng)元消耗皮層中約40%的總ATP以維持突觸傳遞，這一過程是認(rèn)知的基礎(chǔ)。大腦中葡萄糖水平的波動，加上有限的糖原儲存，表明神經(jīng)元必須依賴替代能源來維持突觸傳遞，這些替代燃料包括氨基酸、酮體、丙酮酸及其衍生物乳酸。丙酮酸可以通過葡萄糖的糖酵解或氨基酸如丙氨酸、絲氨酸和蘇氨酸的分解產(chǎn)生，神經(jīng)元獲取丙酮酸的主要途徑是通過血液供應(yīng)或由鄰近星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放的乳酸。盡管丙酮酸輸送到大腦的生理意義尚不清楚，但已知形成血腦屏障的內(nèi)皮細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞末端表達單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白，可以將丙酮酸從血液輸送到大腦間質(zhì)液。磁共振成像顯示丙酮酸可以從循環(huán)系統(tǒng)進入人腦，支持丙酮酸作為大腦能量來源的觀點。然而，丙酮酸在支持神經(jīng)元功能方面的程度及其在神經(jīng)元中氧化的分子機制仍不完全清楚。丙酮酸通過線粒體基質(zhì)中的三羧酸循環(huán)被氧化，而其一旦通過單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白進入神經(jīng)元胞質(zhì)，丙酮酸必須穿過線粒體內(nèi)外膜才能接觸到三羧酸循環(huán)酶。電壓依賴性陰離子通道使線粒體外膜對丙酮酸等代謝物高度通透，然而丙酮酸通過線粒體內(nèi)膜的通道由線粒體丙酮酸載體（mitochondrial pyruvate carrier, MPC）促進，MPC是由兩個亞基MPC1和MPC2組成的多聚體復(fù)合物。通過調(diào)節(jié)丙酮酸進入線粒體基質(zhì)及其接觸三羧酸循環(huán)，MPC在能量代謝中起著關(guān)鍵的分支點作用。MPC在多種人類病理中（包括癌癥、心臟肥大、糖尿病和小頭畸形）的重要性進一步突顯，越來越多的研究聚焦于MPC治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病（如帕金森?。?；然而很少有關(guān)于檢查MPC在神經(jīng)系統(tǒng)中的功能的研究，特別是在突觸傳遞的代謝控制中。

已有數(shù)學(xué)模型表明，線粒體丙酮酸攝取是刺激氧化ATP合成的限制步驟，在酵母細(xì)胞的有氧生長條件下通過表達具有增強運輸動力學(xué)的MPC同工酶來上調(diào)丙酮酸氧化。然而，這一機制在哺乳動物細(xì)胞中并不保守，且尚不清楚MPC活性在神經(jīng)元等高能需求細(xì)胞中是否或如何調(diào)節(jié)。華盛頓大學(xué)的Ghazaleh Ashrafi團隊，在Science Advances上發(fā)表項研究成果Mitochondrial pyruvate transport regulates presynaptic metabolism and neurotransmission，提出線粒體丙酮酸運輸對神經(jīng)末梢ATP生成至關(guān)重要，并調(diào)節(jié)突觸小泡（synaptic vesicle, SV）循環(huán)的不同步驟，揭示了線粒體丙酮酸運輸?shù)姆g后調(diào)控機制。

圖源 Science Advances

已有研究表明，急性補充丙酮酸可以維持神經(jīng)傳遞的能量，但長期供應(yīng)丙酮酸是否能在缺乏葡萄糖的情況下支持神經(jīng)元存活尚不明確。為了研究嚙齒動物大腦中的丙酮酸代謝，研究人員對短暫禁食的小鼠進行了13C3標(biāo)記的丙酮酸的靜脈注射，并使用液相色譜-質(zhì)譜法分析了血清、大腦皮層和肝臟中的代謝產(chǎn)物，結(jié)果顯示丙酮酸和乳酸能夠穿過血腦屏障進入大腦間質(zhì)液，并在大腦中優(yōu)先被氧化。研究人員進一步在體外培養(yǎng)的皮層神經(jīng)元中進行對照實驗（將神經(jīng)元分為三組：一組供應(yīng)葡萄糖（5 mM）；一組供應(yīng)等摩爾混合的乳酸和丙酮酸（各5 mM）；另一組則不提供葡萄糖或乳酸/丙酮酸，即燃料剝奪）。結(jié)果顯示，在缺乏葡萄糖的情況下，補充乳酸和丙酮酸可以將神經(jīng)元的存活率從約20%提高到約50%，表明丙酮酸在缺乏葡萄糖的情況下可以部分維持神經(jīng)元的存活。通過液相色譜-質(zhì)譜法分析，發(fā)現(xiàn)供應(yīng)丙酮酸的培養(yǎng)物中丙酮酸及三羧酸循環(huán)中間體的水平較高，表明丙酮酸通過三羧酸循環(huán)的通量增加。這些發(fā)現(xiàn)表明，丙酮酸不僅是大腦的有效氧化燃料，而且在缺乏葡萄糖的情況下可以部分維持神經(jīng)元的存活。

圖1 丙酮酸在完整腦組織中被有效氧化，且是初級神經(jīng)元培養(yǎng)的代謝燃料

線粒體丙酮酸載體MPC在神經(jīng)系統(tǒng)中高表達，但其在神經(jīng)元中的亞細(xì)胞分布尚不清楚。研究人員通過對海馬體神經(jīng)元進行免疫染色，發(fā)現(xiàn)MPC1和MPC2亞基不僅存在于神經(jīng)元細(xì)胞體中，還與突觸前蛋白vGLUT1（vesicular glutamate transporter 1）共定位，表明其在突觸前終端的表達。研究人員使用熒光丙酮酸傳感器PyronicSF開發(fā)出一種定量光學(xué)測定法，證明MPC在軸突線粒體中介導(dǎo)丙酮酸攝取。研究人員隨后通過shRNA敲低MPC1，完全抑制了PyronicSF對外源丙酮酸的熒光響應(yīng)，驗證了報告基因的特異性和正確定位。進一步研究發(fā)現(xiàn)，MPC抑制劑UK5099在乳酸和丙酮酸存在下顯著降低了突觸前ATP水平，表明MPC在丙酮酸氧化中的關(guān)鍵作用。這些結(jié)果表明，MPC復(fù)合物存在于突觸前線粒體中，并且對神經(jīng)末梢的氧化丙酮酸代謝至關(guān)重要。

圖2 MPC對于神經(jīng)末梢中的丙酮酸代謝是必不可少的

突觸小泡SV的釋放和回收是神經(jīng)傳遞中的關(guān)鍵過程，多個步驟如SV對接、釋放和可釋放池的補充都依賴于ATP，并對代謝擾動高度敏感。研究發(fā)現(xiàn)MPC介導(dǎo)的丙酮酸攝取對神經(jīng)末梢的氧化ATP合成至關(guān)重要。通過近全內(nèi)反射熒光成像和計算檢測方法，研究人員在培養(yǎng)的海馬突觸中觀察到，MPC抑制劑UK5099顯著降低了單次動作電位（single action potential, AP）刺激下的SV釋放概率（release probability, Pr），并減少了突觸活性區(qū)（synaptic active zone, AZ）內(nèi)的釋放位點數(shù)量，同時增加了相同釋放位點的重復(fù)利用率。高頻刺激實驗證明MPC抑制顯著削弱了SV釋放和回收的效率，表明MPC在調(diào)節(jié)突觸傳遞的時空特性方面具有關(guān)鍵作用，即MPC介導(dǎo)的線粒體丙酮酸攝取在單次AP和高頻刺激下均調(diào)節(jié)SV釋放和回收的時空特性。

圖3 線粒體對丙酮酸的攝取調(diào)節(jié)SV釋放和回收的時空特性

賴氨酸乙?；且环N可逆的翻譯后修飾，對線粒體功能的調(diào)節(jié)起重要作用。其中，線粒體蛋白質(zhì)的乙?；徽J(rèn)為是非酶促的，其乙?；娜コ齽t是由線粒體去乙酰化酶Sirtuin 3（Sirt3）催化。研究人員發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元葡萄糖缺乏會誘導(dǎo)Sirt3表達，從而刺激神經(jīng)末梢的氧化代謝。在Sirt3缺失小鼠的肝臟和糖尿病心臟中，MPC2的過度乙?；砻饕阴；赡苁钦{(diào)節(jié)MPC活性的機制。為了研究Sirt3是否通過去乙?；{(diào)節(jié)MPC復(fù)合物的丙酮酸轉(zhuǎn)運活性，研究人員在HEK293細(xì)胞中表達了光學(xué)丙酮酸傳感器mtPyronicSF，發(fā)現(xiàn)Sirt3敲低顯著削弱了線粒體丙酮酸積累。免疫沉淀實驗結(jié)果也顯示，Sirt3缺失的小鼠大腦中MPC1的乙?；斤@著增加。通過構(gòu)建乙?；稽c突變體MPC1-AA，進一步確認(rèn)了MPC1的K45和K46是主要乙?；稽c。這些結(jié)果說明，Sirt3通過調(diào)節(jié)MPC1的乙酰化狀態(tài)來影響線粒體丙酮酸攝取，并且Sirt3的缺失會損害丙酮酸的線粒體攝取。

圖4 Sirt3調(diào)節(jié)線粒體中的丙酮酸攝取和線粒體丙酮酸載體的乙?；?/p>

研究人員通過構(gòu)建一個乙?；M的MPC1突變體（MPC1-QQ），探討了MPC1乙?；欠裾{(diào)節(jié)MPC復(fù)合物的丙酮酸轉(zhuǎn)運活性。結(jié)果顯示，MPC1-QQ突變體無法恢復(fù)MPC1缺失細(xì)胞中的線粒體丙酮酸攝取，說明乙?；腗PC1在丙酮酸轉(zhuǎn)運方面存在缺陷。進一步發(fā)現(xiàn)，在海馬神經(jīng)末梢中，MPC1乙?；@著減慢了SV在電刺激后的回收速度。盡管表達野生型MPC1可以恢復(fù)MPC1缺失終端的SV回收，但乙?；M的MPC1-QQ突變體未能實現(xiàn)這一功能。這些結(jié)果表明，乙?；腗PC1在線粒體丙酮酸轉(zhuǎn)運和突觸傳遞的代謝支持方面存在缺陷，確立了賴氨酸乙?；贛PC復(fù)合物調(diào)節(jié)中的功能重要性。

圖5 一個模擬乙?；腗PC1蛋白變體會損害線粒體丙酮酸攝取和SV檢索功能

這項研究揭示了線粒體丙酮酸載體MPC在神經(jīng)末梢能量代謝和突觸傳遞中的關(guān)鍵作用。研究中發(fā)現(xiàn)，MPC通過調(diào)節(jié)丙酮酸進入線粒體基質(zhì)支持氧化ATP合成，并影響突觸小泡SV的釋放和回收。Sirt3通過去乙酰化調(diào)節(jié)MPC1的活性，Sirt3缺失會導(dǎo)致MPC1的過度乙?；?，從而削弱丙酮酸的線粒體攝取和突觸傳遞的代謝支持。這些發(fā)現(xiàn)為理解神經(jīng)元能量代謝提供了新的視角，并可能為治療代謝相關(guān)的神經(jīng)疾病提供新的靶點，在未來的研究中可進一步探討MPC和Sirt3在其他神經(jīng)元類型和病理狀態(tài)下的作用，以及開發(fā)針對MPC調(diào)控的治療策略。

原文地址

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

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丙酮酸 CAS#: 127
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