Cell Metab | LRP1调控ARF1 K73乳酸化修饰影响星形胶质细胞线粒体外排
来源：生物探索 2024-06-26 09:22
文章发现LRP1通过减少星形胶质细胞的乳酸生成，降低ARF1的乳酸化修饰水平，从而调控健康线粒体由星形胶质细胞向神经元的传递，这一过程可以拮抗缺血所造成的器官损伤。
线粒体作为真核生物维持能量与代谢稳态的关键细胞器，参与和影响多种疾病的病理生理过程【1】。在众多线粒体参与的事件中，细胞间的线粒体传递可以维持受体细胞的有氧呼吸和能量供给【2】，随着研究的深入，关于细胞间线粒体转移如何调节健康和疾病中各种器官系统的生理和功能机制逐渐被阐释，靶向线粒体转移的干预手段应用于人类疾病的治疗也展现出了无限的应用潜力【3】。在中枢神经系统中，星形胶质细胞-神经元细胞间的线粒体传递同样具有极为重要的作用【4,5】。
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Cell Metabolism上发表了题为Astrocytic LRP1 enables mitochondria transfer to neurons and mitigates brain ischemic stroke by suppressing ARF1 lactylation 的文章。文章系统解析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ARF1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的作用机制。
作者首先通过高速离心收集星形胶质细胞培养基中的沉淀，运用电镜、流式细胞术、激光共聚焦显微镜和Seahorse分析等技术手段，证实星形胶质细胞培养基中存在功能完整的线粒体，这一结果与既往文献一致【4】。随后，作者借助慢病毒转染构建了LRP1敲减的星形胶质细胞原代细胞和细胞系，证实LRP1缺失后培养基中的线粒体数量明显减少，但其功能并未受到显著影响。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。
LRP1是低密度脂蛋白受体家族的重要功能组成部分，在星形胶质细胞、神经元细胞、小胶质细胞和少突胶质前体细胞中均有表达，参与调控中枢神经系统的代谢稳态【6,7】。为了明确LRP1对星形胶质细胞代谢的影响，作者通过代谢组学联合13C同位素标记的方式证实，LRP1参与调控星形胶质细胞的葡萄糖摄取进而影响乳酸的生成。接着作者通过小分子抑制剂和基因干预等，证实了LRP1调控的乳酸代谢影响星形胶质细胞的线粒体外排过程。有趣的是，作者发现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，这提示星形胶质细胞内乳酸水平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。
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【8】。作者基于LRP1对乳酸代谢的调控及其在线粒体外排中的作用，通过4D蛋白质组学及乳酸化修饰组学鉴定出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，通过GO和语义相关性分析发现ARF1 第73号位的赖氨酸发生了明显的乳酸化修饰（ARF1 Kla73）并可能发挥了重要的作用。随即作者通过免疫共沉淀和乳酸化修饰点抗体证实ARF1 Kla73在LRP1缺失后发生了显著改变，并进一步通过点突变的干预方式明确ARF1 K73的乳酸化修饰参与调控了星形胶质细胞线粒体外排。
接下来作者在动物体内进行了验证。首先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。进一步的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，通过7.0T 磁共振、行为学评估和共聚焦显微镜证实了LRP1-ARF1 Kla73轴在调控星形胶质细胞线粒体转运中的重要作用。最后，作者通过临床样本进一步验证了其研究发现。
综上，文章发现LRP1通过减少星形胶质细胞的乳酸生成，降低ARF1的乳酸化修饰水平，从而调控健康线粒体由星形胶质细胞向神经元的传递，这一过程可以拮抗缺血所造成的器官损伤。
参考文献
1. A. Suomalainen, J. Nunnari, Mitochondria at the crossroads of health and disease. Cell 187, 2601-2627 (2024).
2. J. L. Spees, S. D. Olson, M. J. Whitney, D. J. Prockop, Mitochondrial transfer between cells can rescue aerobic respiration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 103, 1283-1288 (2006).
3. N. Borcherding, J. R. Brestoff, The power and potential of mitochondria transfer. Nature 623, 283-291 (2023).
4. K. Hayakawa et al., Transfer of mitochondria from astrocytes to neurons after stroke. Nature 535, 551-555 (2016).
5. Z. Geng et al., Intercellular mitochondrial transfer in the brain, a new perspective for targeted treatment of central nervous system diseases. CNS Neurosci Ther 29, 3121-3135 (2023).
6. M. Dieckmann, M. F. Dietrich, J. Herz, Lipoprotein receptors--an evolutionarily ancient multifunctional receptor family. Biol Chem 391, 1341-1363 (2010).
7. V. Actis Dato, G. A. Chiabrando, The Role of Low-Density Lipoprotein Receptor-Related Protein 1 in Lipid Metabolism, Glucose Homeostasis and Inflammation. International journal of molecular sciences 19, (2018).
8. D. Zhang et al., Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature 574, 575-580 (2019).
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