Life Metabolsim丨李洋团队揭示能量应激下海马体溶酶体可充当TCA相关代谢物合成与储存的枢纽

在真核细胞中，代谢反应被精细地分配在不同的细胞器中进行。溶酶体因其酸性腔内环境和丰富的水解酶，长期以来被视为负责终极降解的“细胞焚化炉”。然而，近些年的研究显示溶酶体膜上聚集了mTORC1等关键的营养感受器，使其成为整合营养信号、调控细胞生长与自噬的核心，降解产物通过特异性膜转运体输出，重新进入生物合成或能量代谢途径。因此，溶酶体实质上是一个动态的代谢整合中心。大脑，尤其是海马体，是代谢最活跃的器官之一，其持续的突触活动与信息处理消耗大量能量，对营养供应波动极为敏感。自噬-溶酶体途径是神经元维持蛋白质稳态和代谢平衡的核心机制。然而，在活体条件下，能量匮乏时神经元溶酶体内部的代谢物组成究竟如何变化，是否以及如何参与中心碳代谢的调控等问题仍有待阐明。

近日，复旦大学基础医学院李洋团队在Life Metabolism期刊发表题为Lysosomes contribute to the synthesis of TCA-related metabolites in the hippocampus的研究论文，通过建立体内AAV-LysoTag/Lyso-IP技术平台，结合代谢组学与脂质组学分析，系统揭示了在隔日禁食（EODF）能量应激下，小鼠海马体神经元溶酶体代谢网络的动态重塑。研究发现，能量匮乏不仅诱导溶酶体内氨基酸和脂质衍生小分子的积累，更重要的是导致了苹果酸、α-酮戊二酸及柠檬酸等三羧酸循环关键中间体在溶酶体内的特异性富集。进一步的机制研究表明，这些TCA相关代谢物通过三条平行的途径在溶酶体内积累与维持：线粒体递送、溶酶体驻留酶的局部生成，以及转运蛋白介导的交换。该研究将溶酶体从被动的“降解终点”重新定义为活跃的、可动员的“代谢枢纽”，为理解神经元在能量稀缺条件下的代谢适应提供了全新的概念框架。

原文链接：https://doi.org/10.1093/lifemeta/loag005

为在体定量解析海马体中溶酶体代谢，研究团队构建了体内AAV-LysoTag/Lyso-IP技术平台。通过向小鼠海马体立体定位注射AAV表达带EGFP-3×HA标签的溶酶体膜蛋白TMEM192，实现对神经元溶酶体的特异标记。随后，利用抗HA磁珠免疫沉淀技术分离出完整的溶酶体，并通过亚细胞标志蛋白验证纯度。在此基础上，结合靶向代谢组学，实现了对海马体神经元溶酶体内代谢物的绝对定量，为在体研究溶酶体代谢图谱提供了方法学支撑。

研究采用EODF模型模拟能量应激状态，代谢组学分析显示，EODF组小鼠海马体溶酶体的代谢谱发生了显著重编程。PLS-DA分析模型清晰地分离了EODF与自由进食组（AL）。在鉴定的109种代谢物中，58种在EODF组显著上调，包括43种脂质、7种氨基酸、4种肉碱、3种有机酸及1种核苷酸。通路富集分析揭示，这些差异代谢物显著富集于丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸代谢、乙醛酸及二羧酸代谢以及柠檬酸循环等关键代谢通路。其中，苹果酸-天冬氨酸穿梭通路的富集程度最高，提示其在能量应激响应中的核心地位。全局代谢网络分析显示，EODF诱导的代谢重塑以TCA循环节点（苹果酸、α-酮戊二酸、柠檬酸）为核心，通过天冬氨酸等节点，广泛串联了氨基酸代谢、脂质代谢及氮代谢，形成了一个协调碳-氮平衡的适应性网络。与此同时，脂质组学分析表明，能量应激下溶酶体内双（单酰基甘油）磷酸（BMP）、鞘脂和心磷脂等脂质分子显著上调，这些变化与TCA代谢物的积累显著正相关，揭示了脂代谢与中心碳代谢在溶酶体水平的协同重构。

进一步分析发现，在能量匮乏条件下，海马体溶酶体内苹果酸、α-酮戊二酸和柠檬酸这三种核心TCA循环中间体的水平显著升高。TCA循环是细胞能量代谢和生物合成的核心，传统上认为其完全发生在线粒体基质内。溶酶体内出现高浓度的TCA中间体，强烈暗示溶酶体与中心碳代谢网络存在前所未有的直接联系。这些TCA代谢物从何而来？研究通过整合细胞成像、蛋白质定位和功能抑制实验，提出了一个由三条互补途径共同维持的模型。首先，在饥饿条件下，HT22细胞中溶酶体与线粒体的共定位显著增加，且在线粒体分裂抑制剂Mdivi-1处理后，溶酶体内部分TCA代谢物的积累被部分抑制。同时，Western blot在溶酶体组分中检测到线粒体外膜蛋白VDAC。这些证据表明，能量应激增强了线粒体自噬，将线粒体内容物（包括TCA代谢物）运送至溶酶体进行降解，构成了一个直接的输入来源。

然而，研究也观察到，即使在基础状态下，也有大量溶酶体不与线粒体共定位，且苹果酸在溶酶体内本就维持着较高基础水平。这提示存在不依赖于线粒体的来源。免疫荧光与免疫印迹分析发现，TCA循环中的关键酶——异柠檬酸脱氢酶（IDH）和延胡索酸水合酶（FH）——在溶酶体上存在明确的定位信号（Figure 4）。更重要的是，即使用Mdivi-1抑制线粒体内容物输送，这些酶在溶酶体的信号依然持续存在。这表明IDH和FH可能作为溶酶体的“常驻酶”，在溶酶体腔内或膜上局部催化TCA中间体的生成或转化。研究进一步发现，负责线粒体内膜苹果酸-α酮戊二酸交换的酮戊二酸载体（OGC, SLC25A11），其信号同样出现在LAMP1阳性的溶酶体区室中。这暗示溶酶体膜上可能存在类似的代谢物交换系统，能够主动与细胞质或其他细胞器交换苹果酸、α-酮戊二酸等代谢物，从而动态调节其内部库容。

综上所述，该研究通过创新的在体溶酶体分离与多组学技术，首次系统描绘了能量应激下海马体神经元溶酶体的代谢全景图。研究不仅证实了溶酶体作为降解产物“原料库”的经典角色，更关键地揭示了其作为“TCA循环代谢物合成与储存枢纽”的全新功能。在能量应激下，海马体神经元通过调动溶酶体这一代谢枢纽，建立了由三条途径维持的TCA代谢物储备池。这一机制可能具有多重生理意义：首先，它可以作为代谢缓冲池，在外部营养供应受限时，为线粒体TCA循环补充碳流底物，维持ATP生成。其次，α-酮戊二酸等代谢物本身是重要的信号分子，参与表观遗传修饰和基因表达调控，溶酶体可能通过调控其局部浓度影响细胞的整体应激反应。最后，这与溶酶体活跃的脂质降解与重塑过程相辅相成，共同支撑神经元在能量压力下的膜稳态与功能完整性。总之，该研究为理解大脑在生理与病理状态下的代谢韧性提供了创新框架，为靶向溶酶体代谢适应性的神经保护策略开辟新的方向。

原文链接：https://academic.oup.com/lifemeta/advance-article/doi/10.1093/lifemeta/loag005/8490773

制版人：十一

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