中国团队揭示生酮饮食改善阿尔茨海默病新机制

中国团队揭示生酮饮食改善阿尔茨海默病新机制

阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease，AD）是常见的神经退行性疾病，严重危害患者的生活质量和生命健康。2024年10月16日，厦门大学附属第一医院王占祥教授团队在Aging Cell杂志在线发表了题为“Ketogenic β-hydroxybutyrate regulates β-hydroxybutyrylation of TCA cycle-associateed enzymes and attenuates disease-associated pathologies in Alzheimer’s mice”的文章，阐述了生酮饮食通过新型蛋白质翻译后修饰β-羟基丁酰化调控神经元能量代谢改善APP/PS1小鼠病理表型的分子机制。

阿尔茨海默症是进行性发展的神经退行性疾病，临床前有一段时间的无症状期，发病早期以记忆损伤和认知减退为特征，随着疾病进展，运动能力、语言能力、空间方向感都会受到损害。随着社会人口老龄化，AD的患病率及相关的死亡率呈现不断增加的趋势。因此，探索AD的发病机制及潜在的治疗靶点至关重要。

葡萄糖代谢率降低引起的神经细胞能量缺乏被认为是AD的重要病理特征之一，但其调控机制尚待深入探究。β-羟基丁酰化是一种新型的蛋白质翻译后修饰，其是否参与AD的脑组织能量代谢仍不明确。该研究中，作者使用APP/PS1小鼠，借助蛋白质β-羟基丁酰化蛋白质组学技术，鉴定出CS和SUCLG1的β-羟基丁酰化修饰失调是AD小鼠脑组织ATP缺乏的重要因素，生酮饮食通过诱导APP/PS1小鼠神经元中CS和SUCLG1的β-羟基丁酰化促进三羧酸循环及ATP生成，缓解AD相关的病理表型。该研究为生酮饮食在AD中的潜在治疗功能提供了新的分子机制。

APP/PS1小鼠疾病发生发展过程中β-羟基丁酰化修饰水平下调的蛋白质富集于TCA循环通路中

作者分析了APP/PS1与野生型小鼠脑组织中BHB的浓度，发现APP/PS1小鼠脑组织中BHB浓度显著低于野生型小鼠。提示蛋白质β-羟基丁酰化修饰可能参与AD疾病的发生发展过程，因此，进一步开展了β-羟基丁酰化蛋白质组织学分析，组学的结果显示在AD疾病发生发展过程中，β-羟基丁酰化修饰水平下调的蛋白质在TCA循环通路中富集。

图1.1. APP/PS1小鼠疾病发生发展过程中β-羟基丁酰化修饰水平下调的蛋白质富集于TCA循环通路中。 (a,b) 8月龄的APP/PS1和WT小鼠脑组织中ATP和BHB的丰度分析。 (c) β-羟基丁酰化修饰蛋白质组学流程图。（d）8月龄APP/PS1相对于WT小鼠脑组织中β-羟基丁酰化修饰下调的蛋白质进行GO注释分析。（e）8月龄APP/PS1相对于2月龄的APP/PS1小鼠脑组织中β-羟基丁酰化修饰下调的蛋白质GO注释。（f）APP/PS1小鼠疾病发生发展过程中β-羟基丁酰化修饰下调的蛋白质KEGG分析。

CS和SUCLG1的β-羟基丁酰化修饰水平降低与APP/PS1小鼠疾病发生发展相关

通过β-羟基丁酰化修饰蛋白质组学分析及验证，发现SUCLG1的β-羟基丁酰化修饰水平降低与疾病发生相关，而CS的β-羟基丁酰化修饰水平降低与疾病发展相关。通过Na-β-OHB处理增加其修饰水平可改善酶活性增加ATP的产生。

图1.2. CS和SUCLG1的β-羟基丁酰化修饰降低与APP/PS1小鼠疾病发生发展相关。 (a,b) 使用β-羟基丁酰化进行免疫沉淀，并使用CS抗体进行western blot检测。 (c,d) 使用β-羟基丁酰化抗体进行免疫共沉淀，并使用SUCLG1抗体进行western blot 检测。 (e) HT22细胞用PBS或10 mM Na-β-OHB处理24 h。使用β-羟基丁酰化抗体进行免疫共沉淀，并使用CS或SUCLG1抗体进行western blot分析。(f,g) HT22细胞用PBS或10 mM Na-β-OHB处理24 h后，检测CS酶活性(f)和ATP含量(g)。

生酮饮食增加APP/PS1小鼠神经元中蛋白质β-羟基丁酰化修饰水平

生酮饮食被认为是增加体内BHB浓度的有效方式。因此，作者对APP/PS1小鼠进行了为期3个月的生酮饮食处理，结果发现生酮饮食显著诱导神经元中蛋白质β-羟基丁酰化修饰水平。

图1.3.生酮饮食增加APP/PS1小鼠神经元中β-羟基丁酰化修饰水平。(a) 对照或生酮饮食处理的APP/PS1小鼠海马和皮层中β-羟基丁酰化免疫荧光染色。 (b)对(a)中β-羟基丁酰化修饰的强度进行定量分析。 (c) 对照或生酮饮食处理的APP/PS1小鼠海马和皮层中与NeuN共染的β-羟基丁酰化代表性图像。 (d) NeuN阳性细胞中β-羟基丁酰化修饰强度的定量分析。

生酮饮食改善APP/PS1小鼠病理表型

作者进一步分析了生酮饮食诱导神经元中蛋白质β-羟基丁酰化是否可以缓解APP/PS1疾病相关的病理表型。结果表明，生酮饮食显著抑制Aβ斑块沉积和小胶质细胞增生。提示生酮饮食具有改善AD相关病理表型的功能。

图1.4. 生酮饮食处理可缓解APP/PS1小鼠AD相关病理表型。(a) 对照或生酮饮食处理的APP/PS1小鼠海马和皮层中Aβ斑块的免疫荧光染色。 (b，c)对(a)中Aβ强度(b)和平均大小(c)的定量分析。 (d) 对照或生酮饮食处理的APP/PS1小鼠海马和皮层中Iba1免疫荧光染色。(e)对(d)中Iba1强度进行相对定量分析。

总结：该项工作阐述了生酮饮食通过诱导TCA循环中关键酶的β-羟基丁酰化修饰改善AD相关病理表型的分子机制。