遗传发育所郭伟翔团队Dev Cell：乳酸穿梭通过组蛋白乳酸化修饰调控成体海马神经发生│Cell Press对话科学家

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2025-01-08 17:00发布于北京CellPress细胞科学官方账号

生命科学

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2025年1月6日，中国科学院遗传与发育生物学研究所郭伟翔研究组在Cell Press细胞出版社期刊Developmental Cell上发表了题为“Lactate shuttling links histone lactylation to adult hippocampal neurogenesis in mice”的研究论文，该论文发现单羧酸转运蛋白(Monocarboxylate transporters, MCTs) MCT1和MCT2在成体神经干细胞(Neural stem cells, NSCs)中表达，并且MCT1和MCT2分别负责NSCs中乳酸外排和内流。在NSCs中特异性敲除MCT1导致细胞内乳酸水平累积和NSCs的过度增殖。MCT1缺陷导致的细胞内乳酸升高促进了组蛋白乳酸化水平，这种表观遗传激活了与细胞周期相关基因的转录，例如MDM2介导的p53信号。药物抑制MDM2-p53相互作用恢复了MCT1缺陷小鼠的神经发生缺陷。同时，作者发现MCT2缺陷阻止了细胞外乳酸的流入并阻断了外源性乳酸触发的组蛋白乳酸化，从而抑制了乳酸对NSCs的促增殖作用。抑制p53信号通路不仅逆转了MCT2缺陷对乳酸诱导的NSCs增殖的抑制作用，同时挽救了MCT2缺陷小鼠中的神经发生缺陷。为了研究乳酸穿梭的生理学意义，作者对小鼠进行跑步刺激，发现MCT2缺陷阻断了跑步对NSCs的促增殖作用。这项研究揭示了乳酸穿梭维持神经干细胞内乳酸稳态，通过组蛋白乳酸化表观遗传来调控成体海马神经发生的分子机制。

中国科学院遗传与发育生物学研究所郭伟翔研究员为本文的通讯作者，郭伟翔组博士生李志敏为该论文第一作者。本研究得到国家科学基金2030-重大专项和国家自然科学基金的资助。

成体海马神经发生是哺乳动物大脑中一个独特的过程，它是指成年神经干细胞生成新生神经元的过程，此过程在一生中持续发生。NSCs通过响应多种信号因子来维持其活跃和静止状态之间的平衡，进而维持成年大脑中NSCs池长期存在。与分化的细胞不同，NSCs主要依赖糖酵解代谢来维持能量供应，产生乳酸。多年来，乳酸被视为糖酵解代谢的终极废物，然而，最近的证据表明乳酸在大脑中有新作用，无论是作为代谢燃料还是作为一种信号分子都起着重要作用。此外，乳酸衍生的组蛋白赖氨酸乳酸化作为一种表观遗传修饰，可直接刺激染色质上基因的转录。最近，我们和其他研究结果表明，细胞外乳酸会促进NSCs的增殖，随时间推移会导致NSCs池的耗尽。然而，乳酸调节NSCs增殖及随后神经发生的机制仍然未知。

细胞内或微环境中的乳酸稳态需要来自溶质载体家族16 (Solute carrier family 16, SLC16)即单羧酸转运蛋白进行维持。在成年大脑中，乳酸来自神经元和星形胶质细胞，但众所周知星形胶质细胞产生和释放的乳酸多于神经元。星形胶质细胞产生的乳酸通过MCT4运输到细胞外，然后通过MCT2被神经元吸收，在神经元中乳酸被乳酸脱氢酶氧化为丙酮酸，从而作为能量代谢的底物。因为大脑细胞的异质性，不同细胞类型具有不同的代谢特征，因此非常有必要了解乳酸如何影响除了神经元和星形胶质细胞之外的其他大脑细胞类型的功能。我们之前的研究表明，大脑内皮细胞通过MCT1将乳酸运出内皮细胞，从而维持大脑的乳酸稳态。敲除大脑内皮细胞中MCT1，会导致大脑中乳酸异常累积，从而导致成体海马神经发生缺陷。然而，乳酸如何穿过NSCs质膜来调节成年海马中的NSCs活性和神经发生潜能仍然未知。

作者首先通过电泳、免疫荧光染色和活细胞成像技术，发现NSCs中只表达单羧酸转运蛋白MCT1和MCT2，并且MCT1和MCT2分别负责NSCs中乳酸外排和内流。为了研究MCT1在成体神经发生中的作用，本研究人员构建了Mct1^f/f::Nestin-CreER^T2::Ai14 （Mct1-cKO）小鼠模型，发现在NSCs中特异性敲除MCT1导致细胞内乳酸水平累积和NSCs的过度增殖，继而引起成体神经发生异常。为了探究MCT1介导的乳酸外排调节神经发生的机制，作者采用免疫印迹实验观察到MCT1缺陷导致的细胞内乳酸升高促进了组蛋白乳酸化水平，特别是H4K12La。通过RNA-seq和ChIP-seq测序技术分析发现组蛋白乳酸化表观遗传激活了与细胞周期相关基因的转录，例如MDM2介导的p53信号。利用小分子抑制剂抑制MDM2-p53相互作用恢复了MCT1缺陷小鼠的神经发生缺陷。

为了探究MCT2介导的乳酸内流在神经发生中的作用，作者体外培养NPCs，发现MCT2缺陷阻止了细胞外乳酸的流入并阻断了外源性乳酸触发的组蛋白乳酸化，从而抑制了乳酸对NSCs的促增殖作用。为了在体内探究MCT2的作用，本研究人员构建了Mct2^f/f::Nestin-CreER^T2::Ai14（Mct2-cKO）小鼠模型，发现在NSCs中特异性敲除MCT2引起成体神经发生异常，而抑制p53信号通路不仅逆转了MCT2缺陷对乳酸诱导的NSCs增殖的抑制作用，同时挽救了MCT2缺陷小鼠中的神经发生缺陷。最后，为了研究乳酸穿梭的生理学意义，作者对小鼠进行跑步刺激，发现MCT2缺陷阻断了跑步对NSCs的促增殖作用。

综上所述，该研究揭示了乳酸穿梭在维持NSCs静止和激活中的作用，从而系统地阐明了MCT1和MCT2缺陷导致的乳酸异常影响成体神经发生的作用机制。该研究为对理解NSCs如何维持乳酸稳态，及理解乳酸如何调控成体海马神经发生和大脑功能提供理论依据。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请郭伟翔研究员进行了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

本研究的研究亮点是什么？

郭伟翔研究员：

本研究阐明乳酸转运蛋白MCT1和MCT2分别负责NSCs质膜上乳酸的外排和内流，乳酸穿梭调控NSCs中乳酸稳态和活跃状态。在分子机制上，本研究解析NSCs中乳酸穿梭通过调控组蛋白乳酸化修饰水平，改变Mdm2基因的转录和翻译，最终通过组蛋白乳酸化-MDM2-p53信号通路调节NSCs细胞周期和成体神经发生。

CellPress：

本研究的科学意义是什么？

郭伟翔研究员：

乳酸在神经元中作为能量底物为其提供能量，而本研究发现在NSCs中乳酸作为一种信号分子，通过“组蛋白乳酸化-MDM2-p53”信号通路调控NSCs活跃状态和成体神经发生。此外，本研究从NSCs中乳酸穿梭的角度解析了跑步对成体神经发生的促进作用，提示乳酸穿梭是跑步有利于神经发生的机制。本研究揭示了胞内外乳酸稳态之间的平衡在调控成体神经发生和大脑功能中的重要作用。

CellPress：

本研究还需解决的问题是什么？

郭伟翔研究员：

虽然本研究证明了乳酸穿梭如何调节NSCs增殖，但乳酸的来源仍不清楚。当使用BMP4诱导NSCs静止状态时，在NSCs中观察到乳酸外排增加，可能的解释是BMP4诱导的静止状态导致NSCs的代谢重编程。此外，MCT1和MCT2分别介导NSCs中乳酸的外排和内流，然而，控制这些转运蛋白表达的信号通路仍有待阐明。最后，成体神经发生是一个由多个步骤组成的过程，神经元由分裂的NSCs经过分化迁移产生，MCT1和MCT2在新生神经元中的功能作用有待进一步研究。

作者介绍

郭伟翔研究员（左），通讯作者；李志敏（右），第一作者

通讯作者课题组简介：郭伟翔团队致力于研究神经干细胞和成体海马神经发生的细胞分子机制，以及它们在神经退行性疾病和神经发育疾病的发生机制，从而为这些疾病的预防和治疗提供理论基础。近年来在Developmental Cell、Cell Stem Cell、Nature Communication、Neuron、PNAS、The EMBO Journal、Molecular Psychiatry、Cell Reports、Journal of Cell Biology、Journal of Neuroscience等杂志发表多篇论文。