袁增强等合作揭示组蛋白乳酸化驱动阿尔茨海默病发生的新机制

点评 | 雷群英（复旦大学）、许华曦（厦门大学）

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阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是一种以进行性认知功能障碍为主要特征的神经退行性疾病，其发病率随年龄增加逐渐上升。随着全球人口老龄化的日益加剧，AD患者数量不断上升，据统计，目前罹患AD的人数超过4000万人，到2050年，全世界的AD患者数预计将超过1亿。据不完全统计，中国目前的AD患者大约有900万，到2030年预计达到2000万，庞大的患者数量将会给患者及其家庭乃至整个社会带来巨大的压力和负担【1,2】。然而到目前为止临床上缺乏对AD有效的治疗药物或手段，其发病机制尚需进一步探究。

小胶质细胞是一类驻留在大脑中的免疫细胞，参与神经元突触的修剪、髓鞘的形成、细胞碎片及错误折叠蛋白的清除等一系列生物过程，与大脑发育、脑生理功能维持以及各种脑疾病的发生发展密切相关。越来越多的研究表明，小胶质细胞及其介导的神经炎症在AD的发生发展过程中发挥至关重要的作用【3】，其中，代谢紊乱可能是导致小胶质细胞功能紊乱和神经炎症的重要原因【4,5】。军事医学研究院脑科学研究中心袁增强课题组2019年在Science Advances杂志发文揭示天然黄酮类小分子—芦丁钠可特异性改善小胶质细胞的能量代谢，增强小胶质细胞吞噬清除β-淀粉样蛋白（amyloid-β，Aβ）的功能，减轻神经炎症反应，从而延缓AD的病理进程（详见BioArt报道：专家点评Sci Advances | 袁增强组发现芦丁可用于干预阿尔茨海默病）【6】，提示小胶质细胞代谢紊乱可能是驱动AD发生发展的重要因素，但小胶质细胞的代谢紊乱的分子机制尚不清楚。

2022年3月17日，军事医学研究院袁增强研究员课题组与北京大学孙露洋教授课题组合作在Cell Metabolism杂志在线发表题为Positive feedback regulation of microglial glucose metabolism by histone H4 lysine 12 lactylation in Alzheimer’s disease的研究成果，揭示小胶质细胞糖代谢异常形成的“糖酵解-组蛋白乳酸化-PKM2”正反馈环路能够导致小胶质细胞稳态失衡和神经炎症的发生，进而促进AD发生发展的表观遗传调控机制。

图1. 组蛋白乳酸化调控小胶质细胞糖代谢重塑模式图

研究人员首先在AD临床脑标本和模型小鼠的脑组织内，发现乳酸水平和组蛋白乳酸化修饰在AD标本中显著升高，其中以组蛋白H4第12位赖氨酸残基上的乳酸化（H4K12la）最为显著。通过多色免疫荧光染色，研究人员发现H4K12la主要在Aβ斑块周围的小胶质细胞中显著升高。继而利用脑组织不同类型神经细胞分选技术结合蛋白免疫印迹和CUT&Tag等基因组学方法，发现H4K12la在AD小胶质细胞糖酵解相关基因（如Pkm和 Ldha）的启动子区显著富集，并激活这些基因的转录，促进小胶质细胞的糖酵解活性，由此形成正反馈调控环路。

随后研究人员在AD模型小鼠（5XFAD）的小胶质细胞中特异性敲除Pkm2或者注射PKM2的抑制剂紫草素（Shikonin），均可阻断“糖酵解-组蛋白乳酸化-PKM2”的恶性循环，恢复小胶质细胞的功能稳态，减轻神经炎症反应，减少Aβ斑块沉积，进而改善AD小鼠的学习认知能力。该研究揭示了AD发生中小胶质细胞糖代谢重塑的表观遗传调控机制，阐明代谢紊乱是神经炎症和AD早期发生的驱动事件，为AD的早期干预提供了新视角和新靶点。

军事医学研究院袁增强教授和北京大学孙露洋教授为该工作的共同通讯作者，军事医学研究院博士后潘瑞远博士和北京大学博士后何林博士为共同第一作者，该工作还受到厦门大学医学院张杰教授团队和郑州大学生命科学学院关方霞教授团队的支持，同时得到了北京协和脑库和凯斯西储大学（Case Western Reserve University）脑库的支持。

专家点评

雷群英（复旦大学）

乳酸是细胞无氧糖酵解的代谢产物，曾被认为只是身体产生的代谢废物，或者是用于短暂供能的中间代谢产物，其生物学功能因肿瘤细胞中存在“Warburg效应”才得以关注。近年来发现乳酸还可以作为信号分子，与乳酸受体结合，参与中枢神经系统的物质能量代谢、神经递质传递以及神经血管偶联等生物学过程。

2019年芝加哥大学赵英明教授课题组首次报道乳酸作为前体物质使组蛋白赖氨酸发生乳酸化修饰，参与细菌感染的M1巨噬细胞的稳态调控机制。由于组蛋白修饰组成的“组蛋白密码”是表观遗传调控的重要组成部分，参与包括基因转录调控在内的与染色质结构和功能密切相关的众多细胞生物学过程，因此组蛋白乳酸化的发现，大大拓宽了乳酸发挥非代谢功能的生物学意义，为探讨感染、肿瘤等病理过程提供了新视角。随后的研究发现组蛋白乳酸化还介导了巨噬细胞焦亡、干细胞命运调控、胚胎发育及黑色素瘤发生等，组蛋白乳酸化更多的功能及调控有待进一步揭示。

近年来的研究显示阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）脑组织中异常活化的小神经胶质细胞发生代谢重编程，但其具体机制和病理效应仍有待深入研究和阐明。在新一期Cell Metabolism杂志上，军事医学科学院袁增强教授课题组联合北京大学孙露洋教授课题组，围绕AD的发病机制，从代谢角度进行了系统研究，发现小胶质细胞 “糖酵解-组蛋白乳酸化-PKM2”正反馈环路在AD发生发展中的调控作用，及其作为干预靶点的应用潜能。在他们的研究中，H4K12la主要在Aβ斑块周围的小胶质细胞中显著升高，这将物质代谢与表观遗传调控从空间分布上协同起来。不仅如此，“糖酵解-组蛋白乳酸化-PKM2”这个调控轴首尾相接，并构成一个正反馈调控环路，在AD发生发展中起到了“变本加厉”的恶性循环。该工作巧妙地将微环境的信号与细胞核的染色质重塑、代谢稳态、功能调控有机地联系在一起，凸显了 AD小胶质细胞中糖酵解与组蛋白乳酸化互相促进的重要病理意义，为AD干预提供了新策略。

众所周知，细胞物质代谢与组蛋白修饰密切相关，多种代谢产物均能够影响组蛋白修饰，参与调控基因表达。随着近年来高分辨率质谱技术的快速发展，多种与细胞代谢密切相关的新型蛋白质酰化修饰被陆续鉴定，包括乳酸化、巴豆酰化、琥珀酰化、丙酰化、丁酰化和2-羟基异丁酰化等。但是该领域还是有诸多问题有待进一步探究，例如：组蛋白不同酰化修饰或不同位点的酰化修饰，其特异性远低于组蛋白甲基化，他们是如何受复杂的代谢微环境影响对基因表达精细调控的？在许多依赖糖酵解的细胞类型中，乳酸与乙酰辅酶A通常是同时发生改变的，那么组蛋白乳酸化和组蛋白乙酰化是如何动态变化并协同影响染色质结构及基因转录的？组蛋白乳酸化水平在同种组织的不同细胞类型中差别亦很大，甚至催化的位点也有偏好性，其中的原因是什么？此外，对催化组蛋白乳酰化的酶还了解很少，研究人员期待在后续研究中鉴定出催化H4K12la乳酰化和可能的去乳酰化酶；PKM2还受到信号调控进入细胞核内发挥蛋白激酶和共转录因子的作用，PKM2的入核是否影响小神经胶质细胞的异常活化，也值得进一步探讨。期待在不久的将来，研究者能够找到这些问题的答案。

专家点评

许华曦（厦门大学）

阿尔茨海默症（Alzheimer's disease, AD）俗称老年痴呆，是最主要的神经退行性疾病，其发病率高，危害大，患者通常会出现以记忆力衰退、学习能力减弱为主的症状，并伴有情绪调节障碍以及运动能力丧失等，已经成为全球亟待解决的公共卫生问题。目前为止，临床仍然缺乏相应的干预以及治疗手段，其中最主要的原因是AD的致病机制不清楚。

β-淀粉样蛋白（amyloid-β，Aβ）沉积形成老年斑和微管相关蛋白tau异常磷酸化并聚集形成的神经纤维缠结（Neurofibrillary tangles，NFT）是AD的两个主要病理特征，被认为是AD最重要的致病因素，能够引起神经炎症、氧化应激、代谢紊乱等一系列继发性反应，进而导致神经元死亡和最终的学习认知功能下降。但是长期以来围绕这些靶点的药物研发在临床上屡屡失败，引发了研究人员对AD致病机制的重新思考。实际上，越来越多的研究证据表明，小胶质细胞是促进AD发生发展的始作俑者，尤其是在散发性或晚发型AD中。全基因组关联分析（Genome-Wide Association Studies，GWASs）发现与AD高度相关的风险基因如TREM2、CD33、CR1等均特异性地表达在小胶质细胞上，这些基因的突变会导致小胶质细胞的功能紊乱，显著提高AD的发病风险，但是关于小胶质细胞如何驱动AD发生发展的机制目前尚不清楚。

近日，军事医学研究院袁增强研究员课题组联合北京大学孙露洋教授课题组在Cell Metabolism发表的研究论文揭示小胶质细胞代谢和表观遗传修饰相互调控在细胞功能稳态维持及AD病理进程中作用与机制。该研究发现在AD背景下，小胶质细胞糖酵解过度激活，导致乳酸在细胞内累积，进而导致组蛋白乳酸化修饰异常升高，而升高的组蛋白乳酸化修饰可以促进糖酵解相关基因的转录激活，形成“代谢-表观-代谢”的恶性循环，进一步恶化小胶质细胞的糖代谢紊乱，导致小胶质细胞稳态的失衡及神经炎症的发生，进而促进AD的发生发展。

小胶质细胞作为大脑中非常重要的免疫细胞，对大脑发育和正常生理功能的维持具有至关重要的作用，并且与许多精神神经性疾病的发生发展密切相关。在AD发生的早期，小胶质细胞功能已经发生紊乱，出现过度激活引起慢性神经炎症的发生，同时对Aβ的吞噬清除能力下降，进而促进AD的发展。袁增强研究员和孙露洋教授团队从代谢的研究角度出发，揭示代谢紊乱是小胶质细胞功能紊乱和AD发生发展的驱动因素。通过靶向调控小胶质细胞的代谢稳态，能够恢复细胞的正常生理功能，减轻神经炎症发生，进而缓解AD的病理进程。本研究阐释了小胶质细胞驱动AD发生发展的新机制，干预小胶质细胞糖代谢为AD药物的研发提供了新思路。

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.02.013

制版人：十一

参考文献

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2. Jia, L., Du, Y., Chu, L., Zhang, Z., Li, F., Lyu, D., Li, Y., Li, Y., Zhu, M., Jiao, H., et al. (2020). Prevalence, risk factors, and management of dementia and mild cognitive impairment in adults aged 60 years or older in China: a cross-sectional study.The Lancet. Public health 5, e661-e671.

3. Pascoal, T.A., Benedet, A.L., Ashton, N.J., Kang, M.S., Therriault, J., Chamoun, M., Savard, M., Lussier, F.Z., Tissot, C., Karikari, T.K., et al. (2021). Microglial activation and tau propagate jointly across Braak stages.Nat Med27, 1592-1599.

4. Baik, S.H., Kang, S., Lee, W., Choi, H., Chung, S., Kim, J.I., and Mook-Jung, I. (2019). A Breakdown in Metabolic Reprogramming Causes Microglia Dysfunction in Alzheimer's Disease.Cell Metab30, 493-507.e496.

5. Xiang, X., Wind, K., Wiedemann, T., Blume, T., Shi, Y., Briel, N., Beyer, L., Biechele, G., Eckenweber, F., Zatcepin, A., et al. (2021). Microglial activation states drive glucose uptake and FDG-PET alterations in neurodegenerative diseases.Science translational medicine13, eabe5640.

6. Pan, R.Y., Ma, J., Kong, X.X., Wang, X.F., Li, S.S., Qi, X.L., Yan, Y.H., Cheng, J., Liu, Q., Jin, W., et al. (2019). Sodium rutin ameliorates Alzheimer's disease-like pathology by enhancing microglial amyloid-beta clearance.Sci Adv5, eaau6328.

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