Cell Metab | 神经酰胺通过影响近肾端小管线粒体ETC复合体与嵴组织导致急性肾损伤

撰文|李淡宁

急性肾损伤（AKI）是一种常见且严重的临床事件，会增加患者发生慢性肾病（CKD）的风险，并提高发病率和死亡率。该疾病可由多种损伤因素诱发，包括药物毒性、脓毒症、休克、心力衰竭以及既往的肾脏疾病。越来越多的证据表明，近端小管（PT）上皮细胞（PTEC）中脂质代谢的紊乱，是多种 AKI 病因的共同病理特征之一。PT 脂质堆积以及与之密切相关的线粒体缺陷，是 AKI 的早期表现，甚至先于人类和临床前模型中可见的肾组织病理变化和功能损伤。然而，关于脂质利用失衡如何导致肾脏病变，其分子基础仍知之甚少。

神经酰胺作为复杂鞘脂的主要骨架，是能够感知营养过剩并破坏细胞代谢和存活的生物活性脂质。它们在肝脏、脂肪组织和血管中的积累会促进胰岛素抵抗、高血压和动脉粥样硬化。神经酰胺是所谓“脂毒性”的关键驱动因素之一；该术语由 Unger 首次提出，用于描述因脂质过载而引发的细胞功能障碍，这种机制驱动着心血管代谢类疾病，并被发现在 AKI 的病理背景中同样存在。尽管如此，神经酰胺与肾脏及其他多种组织中细胞功能障碍之间的确切关联机制尚未明确。用于降低神经酰胺、从而预防脂毒性组织损伤的治疗策略仍然难以实现。

近日，美国犹他大学医学院营养与整合生理学系Scott A. Summers团队在Cell Metabolism杂志上发表了题为Therapeutic remodeling of the ceramide backbone prevents kidney injury的文章，报道了人类和小鼠的 AKI 中，PT 内会诱导生成具有脂毒性的神经酰胺。神经酰胺可在较短时间内改变线粒体接触位点与嵴组织系统（MICOS）以及呼吸超复合体的组装，从而急性破坏线粒体嵴结构、线粒体形态及呼吸功能。神经酰胺的作用依赖于由二氢 神经酰胺去饱和酶 1（DES1）插入的 4,5-反式双键；敲除 DES1 能保护线粒体结构完整性，并在双侧缺血再灌注后防止小鼠发生肾损伤；小分子药物 (DES1 抑制剂) 降低神经酰胺水平可预防AKI。

为了探究脂质累积导致AKI的背后机制，本文研究人员利用已发表的小鼠和人类AKI 转录组大数据，研究了肾损伤是否会影响近端小管（PT）中调控神经酰胺生物合成的转录本。单核 RNA 测序结果显示，双侧 缺血再灌注损 (B-IRI) 能够在小鼠肾损伤发生后 4 小时内诱导 PT 中 Sptlc2（负责编码限速酶—丝氨酸棕榈酰转移酶，SPT，异三聚体的关键亚基）的表达。在 B-IRI 之后的最长 2 天内，Sptlc2 的表达水平持续升高。在接受单侧 缺血再灌注损或单侧输尿管梗阻后另外一组大数据中，PT 中的 Sptlc2 表达亦在肾损伤后迅速升高，且主要发生在受损 PT 的特定亚群中。接着，研究人员利用肾脏精准医学项目（Kidney Precision Medicine Project）的单细胞 RNA 测序大数据，评估了 AKI 对人类 PT 与神经酰胺相关基因的影响。与健康对照相比，AKI 患者几乎所有 从头（de novo） 神经酰胺合成通路的基因在 PT 中表达均升高，特别是在受损的 PT 亚群中。其他可能导致神经酰胺积累的转录机制（例如，鞘磷脂酶上调或神经酰胺酶下调）未见明显变化。此外，研究人员发现人类AKI患者尿液中神经酰胺水平升高；在接受双侧肾缺血再灌注损伤的小鼠肾皮质中非靶向脂质组学分析数据显示，鞘脂，特别是神经酰胺，是显著富集的首要脂质类别；长链（C16–C18）神经酰胺，而非超长链（C20–C24）神经酰胺，与肾损伤严重程度指标呈正相关。这些数据表明，PT 中神经酰胺合成与AKI有密切关系。随后神经酰胺合成途径最后一步关键酶，二氢神经酰胺去饱和酶 1（DES1），敲除的小鼠模型数据更进一步表明，PT中神经酰胺合成是AKI发生所必须的。

接下来，为鉴别可能导致近端小管（PT）功能障碍的神经酰胺效应蛋白，研究人员进行了 蛋白组整体溶解性改变（proteome integral solubility alteration， PISA）分析，小鼠肾近端小管上皮细胞经30分钟处理后的PISA分析数据揭示，在 6,781 个具有 ≥2 条肽段的检测蛋白中，共有 154 个蛋白在神经酰胺处理后表现出显著的稳定性增强或降低；超过一半的蛋白参与脂质或线粒体代谢。通路分析表明线粒体组织与电子传递链（electron transport chain,ETC） 是最显著富集的功能模块。多种 ETC 亚基与组装因子（I、III、IV、V 复合体）在神经酰胺处理后出现热稳定性改变。急性 2 小时的 C2-神经酰胺处理，而非 C2-二氢神经酰胺处理，导致 复合体 III（UQCRC2）和复合体 IV（COXIV）亚基纳入呼吸超复合体（SC）减少。上述数据系首次报道神经酰胺能够在短时间内破坏呼吸链超复合体结构，提示神经酰胺可能直接扰乱已形成的超复合体，而不仅仅是改变亚基丰度。

为深入探究神经酰胺对肾近端小管线粒体造成了何种影响；研究人员首先分析了筛选结果中注释为线粒体内膜及线粒体组织相关的蛋白，其中许多蛋白定位于线粒体嵴连接处，包括 7 个线粒体接触位点与 嵴组织系统（MICOS）亚基中的 6 个，而二氢神经酰胺处理并未影响这些亚基。原代 PTEC中，2 小时的 C2-神经酰胺处理可增加 MICOS 亚基的丰度。为评估神经酰胺对嵴形态的影响，研究人员对原代 PTEC 进行了 6 小时的处理。C2-神经酰胺处理则诱导了异常的嵴形态，更多线粒体出现桥接型、同心环/环状嵴，或完全缺失嵴。图像分析进一步确认，C2-神经酰胺（而非 C2-二氢神经酰胺）显著降低每个线粒体的嵴数量和嵴面积，同时减少嵴的圆度及嵴与外膜的接触位点。随后，体外结果在Degs1^fl/fl 与 Degs1 iGKO (Degs1敲除可使神经酰胺降低)小鼠假手术或 B-IRI 手术后的肾皮质 EM 图像数据得以佐证；仅在 Degs1^fl/fl 小鼠中，B-IRI 导致严重嵴丢失。线粒体整体形态分析结果表明神经酰胺（而非二氢神经酰胺）可显著减小线粒体面积，驱动线粒体断裂、损害呼吸并增加 ROS 生成。此外，它们提示脂肪酸诱导的PT线粒体损伤可能通过神经酰胺介导。最后研究人员验证，CNT2198，一种新型口服可用的 DES1 小分子抑制剂，可在缺血再灌注后预防肾损伤。这些数据表明，通过药物性 DES1 抑制降低肾脏神经酰胺水平，可能是一种可行的治疗策略，用于预防急性肾损伤（AKI）。

综上所述，本文在神经酰胺引起急性肾损伤是通过改变肾近端小管内线粒体功能，形态与嵴组织系统这一结论上，证据链极为完整，思路清晰，数据非常充分。但肾脂质积累-导致肾近端小管神经酰胺水平升高-最终导致急性肾损伤的证据不太充分。未来需要在高脂处理下分别在DES1及Degs1基因肾脏KO小鼠模型中 进行分析。

https://www.cell.com/cell-metabolism/abstract/S1550-4131(25)00440-1

制版人： 十一

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