Cell Metab 四川大学华西医院李涛教授团队揭示LRP1介导ARF1 K73乳酸化修饰调控细胞间线粒体转移和缺血性脑损伤

缺血性脑卒中是导致我国心血管疾病患者死亡的主要原因之一。线粒体作为维持能量与代谢稳态的关键细胞器，参与和影响多种疾病的病理生理过程，是脑卒中的潜在干预靶点。随着研究的深入，关于细胞间线粒体转移如何调节健康和疾病中各种器官系统的生理和功能机制逐渐被阐释，靶向线粒体转移的干预手段应用于人类疾病的治疗也展现出了无限的应用潜力。

2024年9月3日，西南医科大学江涌、四川大学华西医院李涛教授(Lead Contact)和中国科学技术大学曹洋教授联合在Cell Metabolism上发表了题为“Astrocytic LRP1 enables mitochondria transfer to neurons and mitigates brain ischemic stroke by suppressing ARF1 lactylation”的论著。文章系统解析了低密度脂蛋白相关受体蛋白1 (LRP1)对星形胶质细胞线粒体转运的重要调控作用，揭示LRP1通过调节细胞葡萄糖代谢影响ARF1乳酸化修饰，进而调控星形胶质细胞-神经元细胞间线粒体转移、影响缺血性脑卒中的作用机制。

首先，研究者运用电镜、流式细胞术、激光共聚焦显微镜和Seahorse分析等技术手段，证实神经元与星形胶质细胞共培养后，可通过线粒体转移减少氧-糖剥夺(OGD)导致的神经元损伤。然而，LRP1缺失的星形胶质细胞，外排的健康线粒体数量明显减少，保护作用显著下降(图1)。

图1. LRP1调控星形胶质细胞线粒体外排，保护缺氧神经元

为了明确LRP1对星形胶质细胞代谢的影响，研究者通过代谢组学联合¹³C同位素标记实验，证实LRP1缺失促进星形胶质细胞的葡萄糖摄取进而影响乳酸的生成。并且，通过小分子抑制剂和基因干预等，证实了LRP1调控的乳酸代谢影响星形胶质细胞的线粒体外排过程。有趣的是，研究者发现急性乳酸暴露可剂量依赖性抑制星形胶质细胞线粒体外排，提示乳酸可调控细胞间线粒体转移(图2)。

图2. 乳酸可调控星形胶质细胞线粒体外排

乳酸化修饰是一种乳酸浓度依赖性的新型蛋白修饰。研究者基于LRP1对乳酸代谢的调控及其在线粒体外排中的作用，通过4D蛋白质组学及乳酸化修饰组学鉴定出LRP1敲减后有136个蛋白的163个位点发生乳酸化修饰的改变，其中ARF1第73位的赖氨酸乳酸化修饰(ARF1 Kla⁷³)可能发挥了重要作用。随即研究者通过免疫共沉淀和乳酸化修饰点抗体证实ARF1 Kla⁷³在LRP1缺失后发生了显著改变，并进一步通过点突变的干预方式明确ARF1 K73的乳酸化修饰参与调控星形胶质细胞线粒体外排。

进一步，研究者在小鼠脑内干预LRP1的表达并过表达ARF1乳酸化修饰突变体，证实敲减LRP1或促进ARF1乳酸化修饰可引起脑脊液中星形胶质细胞来源的线粒体数量下降。进一步的免疫荧光和双光子扫描也证实了神经元中星形胶质细胞来源的线粒体明显减少。随后，作者通过大脑中动脉栓塞(MCAO)建立脑缺血模型，通过7.0T磁共振、行为学评估和共聚焦显微镜证实了LRP1-ARF1 Kla⁷³轴在调控星形胶质细胞线粒体转移、改善缺血性脑损伤中的重要作用。最后，作者通过缺血性脑卒中患者的临床样本进一步验证了其研究发现(图3)。

图3. 动物在体实验和临床数据证实LRP1调控线粒体转移和脑缺血损伤

综上所述，研究发现LRP1通过减少星形胶质细胞的乳酸生成，降低ARF1的乳酸化修饰水平，从而调控健康线粒体由星形胶质细胞向神经元的传递，这一过程可以拮抗缺血所造成的器官损伤(图4)。

图4. 研究机制图

西南医科大学附属医院周牮博士、张丽芳助理研究员、彭建华副教授、张先辉实习研究员及硕士研究生张帆为该论文的共同第一作者。西南医科大学附属医院江涌教授、四川大学华西医院李涛教授(Lead Contact)、中国科学技术大学曹洋教授为该论文的共同通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2024.05.016