MPC1

该研究挑战了之前关于MPC介导的代谢通路促进经典激活巨噬细胞功能的观点，并揭示了UK5099这一广泛使用的MPC抑制剂存在脱靶效应。研究团队将在今后的工作中进一步深入的评估不同亚型巨噬细胞分化过程中组 巨噬细胞是天然免疫系统的重要组成部分，在机体抵御外来病原菌的入侵以及清除肿瘤细胞、自身衰老细胞等方面发挥着关键的作用。近年来，大量研究发现，细胞内的特定代谢通路和产物对于免疫细胞的激活和分化起着重要的调控作用，免疫代谢（immunometabolism）也被认为是近20年免疫生物学领域的最重要的进展之一。其中，迅速增加的有氧糖酵解是经典激活巨噬细胞（M1型）最显著的代谢特征之一，但是此代谢重编程如何影响M1型巨噬细胞的功能尚不清楚。 在之前的研究中，来自德国波恩大学的著名免疫学家 Eicke Latz 团队在 Immunity 发文报道，使用线粒体丙酮酸转运体（MPC）抑制剂UK5099阻断糖酵解代谢产物丙酮酸进入线粒体后，M1型巨噬细胞多种促炎细胞因子的生成水平均显著降低。此外，康奈尔医学院 Kyung-Hyun Park-Min 团队和卢森堡大学 Karsten Hiller 团队也分别发现这一现象，即UK5099可显著抑制LPS诱导的巨噬细胞促炎因子的生成。 因此，这些研究团队认为葡萄糖通过糖酵解生成丙酮酸并进入线粒体的代谢通路对于M1型巨噬细胞的激活至关重要，机制上认为丙酮酸进入三羧酸循环后通过生成柠檬酸来增加细胞质中的乙酰辅酶a水平和组蛋白乙酰化修饰，进而促进M1型巨噬细胞促炎细胞因子的转录。 2023年5月15日，上海市东方医院（同济大学附属东方医院）呼吸与危重症医学科王飞龙课题组联合美国梅奥医学中心 Joerg Herrmann 团队，在 Nature Metabolism 期刊发表了题为：Mitochondrial pyruvate carrier-mediated metabolism is dispensable for the classical activation of macrophages 的研究论文。 该研究利用髓系细胞特异性基因敲除的小鼠模型，发现线粒体丙酮酸转运体（MPC）介导的代谢通路对于M1型巨噬细胞的激活并无显著影响，而数十年来被代谢领域广泛使用的MPC抑制剂UK5099存在脱靶效应。 研究团队首先评估了不同浓度的UK5099对于内毒素（LPS）诱导的巨噬细胞促炎因子生成水平以及MPC活性的影响。通过采用稳定同位素示踪技术，研究团队发现UK5099在2-5μM即达到对MPC的最大抑制能力，但是其在25 μM及以上才能够显著抑制促炎细胞因子的生成。进一步研究发现，高浓度UK5099显著抑制了巨噬细胞氧化磷酸化水平以及膜电位，并降低了缺氧诱导因子1α（HIF-1α）的稳定性，但低浓度UK5099并无上述效应。因此，研究团队推测，UK5099的抗炎作用可能独立于其对于MPC的抑制效应。 为了进一步检验这一假说，研究团队构建了髓系细胞特异性敲除Mpc1的小鼠模型，发现敲除Mpc1阻断了葡萄糖和丙酮酸进入三羧酸循环，并不影响M1型巨噬细胞的代谢重编程以及细胞内ATP的水平，亦不影响组蛋白乙酰化和促炎细胞因子的转录和表达。但是，高浓度UK5099不仅在对照组巨噬细胞上（Mpc1fl/fl）抑制了多种促炎细胞因子的生成，在缺乏MPC表达的巨噬细胞（Mpc1ΔLysM）上同样观察到了此现象。转录组测序结果也显示，UK5099改变的基因在对照和缺乏MPC表达的巨噬细胞上有着极大的重叠。此外，高浓度UK5099在Mpc1fl/fl和Mpc1ΔLysM巨噬细胞上均显著抑制了氧化磷酸化的水平，并降低了缺氧诱导因子1α（HIF-1α）的稳定性。因此，上述结果表明MPC介导的代谢通路并不影响M1型巨噬细胞的激活，而UK5099存在着脱靶效应。 巨噬细胞具有很强的代谢适应性，研究人员发现在缺失MPC情况下，M1型巨噬细胞消耗了更多的谷氨酰胺来补充三羧酸循环，维持正常的氧化磷酸化水平。为了进一步检验急性敲除MPC是否能够影响M1型巨噬细胞组蛋白乙酰化和促炎细胞因子的产生，研究团队构建了髓系细胞MPC诱导敲除的小鼠模型（Mpc1ΔLysM-ERT），发现Tamoxifen诱导的急性MPC缺失也不影响LPS诱导的巨噬细胞组蛋白乙酰化和促炎细胞因子的生成，而高浓度的UK5099在Mpc1fl/fl和Mpc1ΔLysM-ERT巨噬细胞上均显著抑制了这些细胞因子的产生。这些结果进一步证实了本研究的结论。 综上，该研究挑战了之前关于MPC介导的代谢通路促进经典激活巨噬细胞功能的观点，并揭示了UK5099这一广泛使用的MPC抑制剂存在脱靶效应。研究团队将在今后的工作中进一步深入的评估不同亚型巨噬细胞分化过程中组蛋白修饰与代谢通路的内在联系，并力争阐明UK5099的其它作用靶点。 同济大学医学院2020级博士生冉林玉和梅奥医学中心Song Zhang为论文共同第一作者，王飞龙教授和Joerg Herrmann教授为论文共同通讯作者。

成年大脑的一些区域内含有休眠（静止）的神经干细胞/祖细胞（NSPC），它们有可能被重新激活并形成新的神经元。然而，干细胞必须在静止（quiescence）、增殖和分化三种状态之间保持平衡，以维持终身的组织再生和维护能力。尽管NSPC的激活对正常的神经发生至关重要，但这一过程的机制基础仍未被完全阐明。 近日，由瑞士日内瓦大学和洛桑大学的科学家组成的研究团队发现了细胞代谢在这一过程中的重要性，并在成年小鼠中重新激活了NSPC，成功增加了成年甚至老年小鼠大脑中新神经元的数量。这些发现为治疗神经退行性疾病带来了新的希望。目前，该研究成果已整理发表在《科学》杂志的子刊Science Advances。 细胞代谢是最基础的生命活动之一，它不仅能为生物体提供维持生存所需的能量，还参与调控了一系列生命活动。细胞代谢已被证实能影响干细胞的活化状态，一般来说,干细胞中糖酵解水平很高，以支持合成细胞组分来维持细胞生长，而在分化过程中，它们的代谢状态则转向氧化代谢以产生三磷酸腺苷。作为氧化代谢的主要场所，线粒体在NSPC中含量丰富，其动态影响着细胞自我更新和命运选择。因此，线粒体代谢在NSPC的静止中发挥的作用可能比以前认为的还要大。 干细胞能够不断复制产生自身副本，并分化出具有不同功能的细胞。神经干细胞在胚胎发育过程中负责构建大脑，生成中枢神经系统的所有细胞，譬如神经元。令人惊讶的是，神经干细胞甚至在大脑完全形成后仍持续存在于某些脑区，并能在整个生命过程中制造新的神经元。这种生物现象被称为成人神经生成（adult neurogenesis），它对于学习和记忆过程等特定功能非常重要。然而，在成人大脑中，这些细胞变得更加“沉默（休眠）”，并降低其更新和分化的能力。因此，随着年龄的增长，神经生成明显减少。 现在，科学家们发现了线粒体如何参与调节成年大脑中NSPC的激活水平。其中，线粒体丙酮酸转运体（MPC）蛋白发挥了关键性的作用，它的活性影响着细胞可使用的代谢途径。MPC是线粒体代谢过程中的重要参与者，负责将丙酮酸输送到线粒体，将细胞糖酵解与线粒体三羧酸循环及氧化磷酸化联系起来。通过了解并区分活跃细胞和休眠细胞的代谢途径，科学家可以通过改变线粒体代谢来唤醒休眠的NSPC。 在本研究中，科学家们使用化学抑制剂或通过生成MPC1基因缺陷的小鼠来阻断神经干细胞中MPC的活性，以评估丙酮酸流入线粒体的中断是否会影响NSPC的维持、激活和分化。他们发现，静止的NSPC表达着高水平的MPC，并且需要丙酮酸流入线粒体以维持静止状态。尽管对MPC的抑制让三羧酸循环的中间产物大量减少，但这一过程通过增加细胞内的天门冬氨酸水平引发了NSPC的激活。MPC1基因条件性敲除的NSPC能够分化成为成熟的神经元，这表明它们具有高度的代谢灵活性，使得这些细胞能够根据可用底物的情况来调整它们的代谢。最后，科学家们在活体小鼠中证实，在条件性敲除MPC1基因后，小鼠大脑中NSPC被激活并引起神经生成的显著增加，即使在中老年小鼠中这一结果同样成立。 这项研究表明，代谢途径的重定向能够直接影响成年大脑神经干细胞的活动状态，从而影响新神经元的生成数量，这些发现突出了代谢对NSPC调控的重要性，并确定了线粒体丙酮酸转运控制NSPC静止和激活的重要途径。从长远来看，这些结果有望启发针对抑郁症或神经退行性疾病等疾病的潜在治疗手段的开发。 参考资料：[1] Petrelli, Francesco et al. “Mitochondrial pyruvate metabolism regulates the activation of quiescent adult neural stem cells.” Science advances vol. 9,9 (2023): eadd5220. doi:10.1126/sciadv.add5220[2] How to generate new neurons in the brain，Retrieved March 25th, 2023, from https://www.unige.ch/communication/communiques/en/2023/comment-generer-de-nouveaux-neurones-dans-le-cerveau 内容来源于网络，如有侵权，请联系删除。

成年大脑中的一些区域含有静止或休眠的神经干细胞，其可能会被潜在重新激活从而形成新的神经元，然而，目前研究人员并不清楚其是如何从静止状态过渡到增殖状态的。近日，一篇发表在国际杂志Science Advances上题为“Mitochondrial pyruvate metabolism regulates the activation of quiescent adult neural stem cells”的研究报告中，来自瑞士洛桑大学等机构的科学家们通过研究揭示了细胞代谢在上述过程中的重要性，同时他们还识别出了如何唤醒这些神经干细胞并对其再度激活。如今生物学家能成功增加成年个体甚至是老年小鼠大脑中新生神经元的数量，这些结果对于开发治疗人类神经退行性疾病的新型疗法至关重要。干细胞拥有特殊的能力能持续产生细胞复制品以及具有特殊功能的分化细胞，神经干细胞（NSCs）则主要负责在胚胎发育期间负责构建大脑，并产生中枢神经系统中的所有细胞，包括神经元等。让研究人员惊讶的是，即使在大脑完全形成后，神经干细胞依然能在特定的大脑区域中持续存在，并能在一生中制造新的神经元，这种称之为成体神经发生（adult neurogenesis）的生物学现象对于机体诸如学习和记忆过程等特定功能非常重要，然而在成体大脑中，这些干细胞会变得更加沉默或处于“休眠状态”，并能减少其再生和分化的能力。科学家揭示大脑中产生新生神经元的特殊分子机制。图片来源：Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.add5220.因此，随着机体年龄的增长，神经发生就会明显减少，研究者表示，如今他们已经揭示了一种特殊的代谢机制，即成体机体大脑中的神经干细胞是如何从休眠状态中苏醒并变得活跃起来的。研究者Francesco Petrelli说道，我们发现，细胞中产生能量的细胞器—线粒体主要涉及调节成体神经干细胞的激活水平。早在11年前研究人员发现的一种名为线粒体丙酮酸转运蛋白（MPC，mitochondrial pyruvate transporter）或许就在这一调节过程中扮演着特殊角色，其激活会影响细胞所使用的代谢选择，而通过知晓能区分激活细胞和休眠细胞的代谢通路，科学家们就能通过修饰细胞中线粒体的代谢来促使休眠的细胞苏醒。目前生物学家能通过利用化学抑制剂或产生Mpc1基因突变的小鼠来阻断MPC的活性，而利用这些药理学手段和遗传学手段，研究人员就能激活休眠中的神经干细胞从而在成体大脑甚至是老年小鼠的大脑中产生新的神经元；基于本文研究结果，研究者发现，重新定向代谢通路或许就能直接影响成体神经干细胞的活性状态，从而影响新生神经元的数量。综上，本文研究结果揭示了细胞代谢过程在调节机体神经发生过程中所扮演的关键角色，从长远角度来讲，这些研究结果或有望帮助科学家们开发治疗人类抑郁症或神经退行性疾病等状况的新型潜在疗法。原始出处：FRANCESCO PETRELLI,VALENTINA SCANDELLA,SYLVIE MONTESSUIT, et al. Mitochondrial pyruvate metabolism regulates the activation of quiescent adult neural stem cells, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add5220