文献解读
近日,上海交通大学医学院附属瑞金医院麻醉科罗艳主任团队在Brain Behavior and Immunity发表题为 “Targeting AARS1-dependent lactylation improves neuronal process plasticity and mitigates cognitive deficits in sepsis-associated encephalopathy” 的研究论文。首次系统揭示了脓毒症状态下,大脑海马区乳酸积累,通过AARS1依赖的乳酸化修饰(Kla),异常激活ATRIP-ATR信号通路,导致神经元突触损伤与可塑性下降的分子机制。更重要的是,研究发现了两种极具转化潜力的靶向干预策略:使用小分子化合物AZD6738抑制ATR活性,或利用天然氨基酸L-丙氨酸竞争性抑制AARS1与乳酸结合,均可在动物模型中有效恢复神经可塑性,挽救认知与行为缺陷。这项研究不仅为SAE的治疗提供了新的理论依据,更为脑内乳酸代谢异常相关的神经退行性疾病开辟了全新视角。
脓毒症(Sepsis),一种由感染引发的全身性炎症反应综合征,是全球重症监护病房(ICU)患者死亡的主要原因之一,也是一种全球范围内严重威胁生命的感染性疾病。据统计,全球每年有近5000万人罹患脓毒症,其中高达70%的脓毒症幸存者会留下长期的神经后遗症,即脓毒症相关脑病(Sepsis-associated encephalopathy, SAE),表现为记忆衰退、焦虑、抑郁等认知功能障碍,严重影响生活质量。然而,其核心病理机制一直悬而未决,临床上也缺乏特异性治疗手段。
文中使用了AniLab® LabState®实验动物视频分析系统
研究团队首先建立了经典的盲肠结扎穿刺(CLP)小鼠SAE模型,发现乳酸在脑内神经元突起中特异堆积:通过生化检测和新型AAV-FiLa病毒荧光乳酸传感器活体成像均证实,与假手术组相比,脓毒症小鼠大脑海马区神经元突起(轴突和树突)内乳酸水平显著升高,而非神经元胞体或其他脑区。同样发现乳酸化修饰同步上调:利用特异性抗体,检测出伴随乳酸累积,全局蛋白质的赖氨酸乳酸化(Kla)修饰在神经元突起中显著增强。此外,团队也发现神经结构与功能严重受损:通过高精度成像技术(Golgi高尔基染色、透射电镜)显示,模型小鼠的神经元突起总长度缩短、分支复杂度降低、树突棘密度显著减少,并出现髓鞘结构破坏等超微结构损伤。以上结果明确了乳酸积累 → 蛋白乳酸化 → 神经元结构损伤的因果链。
CLP诱导神经元突起中乳酸蓄积及乳酸化修饰,并伴随神经元结构损伤。
为了寻找乳酸化修饰的“执行者”与“受害者”,研究团队进行了一系列严谨实验:锁定关键乳酸转移酶AARS1:通过对多种候选酶的筛选,团队鉴定出 “丙氨酰-tRNA合成酶1(AARS1)” 是神经元突起中催化乳酸化修饰的主导酶。体外重构实验证实,AARS1能以乳酸为底物,直接催化蛋白发生乳酸化。特异性抑制AARS1或敲低其表达,能显著减轻SAE引起的神经元损伤。
为了找到关键乳酸化底物ATRIP,团队利用免疫沉淀-质谱(IP-MS)技术,锁定了ATR互作蛋白(ATRIP),并确认它是AARS1的直接作用靶点之一。AARS1会催化ATRIP第127位赖氨酸(K127)发生乳酸化。
ATRIP K127位点的乳酸化修饰,如同一个“分子开关”,显著增强了ATRIP与ATR蛋白的结合亲和力,从而非依赖于DNA损伤地异常激活了ATR激酶及其下游信号通路。激活的ATR信号通过驱动神经元的过度自噬,最终导致了PSD95(突触支架蛋白)表达下调、β-APP(神经元损伤标志物)累积等一系列突触功能破坏和神经突起损伤事件。脓毒症带来的全身高乳酸血症,使过量乳酸涌入大脑海马神经元。这些乳酸被“兼职”酶AARS1利用,给ATRIP蛋白“打”上乳酸化标签。被“标签”的ATRIP异常活跃,不断激活ATR“报警器”,后者启动“自毁程序”(过度自噬),破坏了神经元的正常连接和结构。
AARS1介导的Atrip蛋白K127位点乳酰化激活Atrip/ATR通路,导致严重急性脑病(SAE)中的神经元突起损伤。
基于以上精细机制,研究团队测试了两条互补的干预路径,结果令人振奋:
靶向下游通路——抑制ATR激酶
团队选用了一款已进入肿瘤临床试验的ATR抑制剂AZD6738。口服给药后,SAE小鼠海马中ATR活性显著被抑制,神经元损伤标志物β-APP下降,突触蛋白PSD95恢复。更重要的是,小鼠在新物体位置、新物体识别和情境恐惧记忆测试中的认知表现得到了显著改善,焦虑样行为也明显减轻。
靶向上游酶活——竞争性抑制AARS1
团队巧妙地利用了L-丙氨酸——AARS1在合成丙氨酰-tRNA过程中的天然氨基酸底物。因其结构与乳酸相似,L-丙氨酸能够竞争性占据AARS1的结合位点,阻断乳酸与AARS1的结合。脑内注射L-丙氨酸后,SAE小鼠海马的ATRIP乳酸化水平、ATR通路激活程度显著降低,并同样呈现出神经结构修复、认知行为功能恢复的良好效果。
此研究提出的ATR抑制剂和L-丙氨酸,前者代表精准的靶向药物干预,后者则提供了一种潜在安全、基于天然代谢产物的营养或药物干预思路,临床转化前景广阔。
AARS1介导的atrip在K127位点的乳酰化作用激活atrip/ATR通路,导致严重急性脑病(SAE)中的神经元突起损伤。
综上所述,这项工作首次系统阐释了脑内乳酸代谢异常——蛋白质翻译后修饰(乳酸化)——DNA损伤应答通路“兼职”功能失调——神经结构和功能损伤之间的完整因果链条。它不仅为SAE的药物研发提供了两个极具希望的切入点,更重要的意义在于,它将“乳酸代谢稳态”与“神经可塑性维护”两个关键领域深度联结。
考虑到在阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症等多种神经系统疾病中均发现了大脑乳酸水平的异常累积,本研究揭示的AARS1介导的乳酸化及下游信号轴,可能代表了一条全新的、跨疾病的共同病理机制和极具潜力的治疗窗口。
未来,对ATR抑制剂AZD6738的临床前安全性评价,以及对L-丙氨酸最佳给药方式和长期疗效的深入研究,有望将这一基础研究的重要发现,逐步推向临床应用,为数百万脓毒症相关脑病患者带来福音。
上海交通大学医学院附属瑞金医院麻醉科罗艳主任医师、李银娇医师为论文的共同通讯作者;罗士元医师、吕卓辰医师为论文的共同第一作者。
罗艳,医学博士、主任医师、教授、博士研究生导师,上海交通大学医学院附属瑞金医院麻醉科主任,上海交通大学医学院麻醉与危重病学系教研室副主任。任中国医师协会麻醉学医师分会副会长、中国人体健康科技促进会麻醉与围术期科技专业委员会主任委员、世界华人麻醉医师协会副会长、上海市医学会麻醉专科分会副主任委员、上海市医师协会麻醉科医师分会、疼痛科医师分会副会长、上海市口腔医学会口腔麻醉学专业委员会副主任委员。曾获上海市青年五四奖章、上海市巾帼建功奖等荣誉,主持和参加原卫生部和国家自然科学基金面上项目等多项课题的研究。
吕卓辰 主治医师,上海交通大学医学院附属瑞金医院麻醉科;研究方向:围术期脑功能保护。
李银娇 住院医师,上海交通大学医学院附属瑞金医院麻醉科;研究方向:围术期脑功能保护。
罗士元 住院医师,上海交通大学医学院附属瑞金医院麻醉科;研究方向:脓毒症相关性脑病与围术期认知功能障碍的机制研究。
本文来源:Luo, S. Y., Lü, Z. C., Luo, Y., & Li, Y. J. (2026). Targeting AARS1-dependent lactylation improves neuronal process plasticity and mitigates cognitive deficits in sepsis-associated encephalopathy. Brain Behavior and Immunity, 135 (2026), 106493.
本文网址:https://doi.org/10.1016/j.bbi.2026.106493
产品介绍
LabState® Vision实验动物视频分析系统
LabState® Vision 实时硬件控制(RTPP实时位置偏爱)
视频来源:Dai, Z., Liu, Y., Nie, L. et al. Locus coeruleus input-modulated reactivation of dentate gyrus opioid-withdrawal engrams promotes extinction. Neuropsychopharmacol. 48, 327–340 (2023). https://doi.org/10.1038/s41386-022-01477-0
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