乳酸穿梭通过组蛋白乳酸化修饰调控成体海马神经发生
乳酸穿梭通过组蛋白乳酸化修饰调控成体海马神经发生
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上发表重要研究成果，揭示了乳酸穿梭通过组蛋白乳酸化修饰调控成体海马神经发生的分子机制。
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。该研究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，研究发现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，研究人员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。
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，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。
研究人员首先通过电泳、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，研究人员构建了Mct1f/f::Nestin-CreERT2::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，研究人员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，研究人员体外培养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，研究人员构建了Mct2f/f::Nestin-CreERT2::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，研究人员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。