ATP合酶缺陷下人类运动神经元高代谢的代价与权衡：乙酰-CoA重新分配导致组蛋白乙酰化减少和乙酰胆碱维持脆弱性

《Communications Biology》：Metabolic costs and trade-offs of hypermetabolism in human motor neurons with ATP synthase deficiency

本研究针对线粒体氧化磷酸化缺陷引发的高代谢状态在神经元中的具体机制和细胞代价尚不明确的问题，研究人员利用携带MT-ATP6无义突变的人诱导多能干细胞来源的运动神经元模型，结合呼吸代谢测定、代谢组学和蛋白质组学技术开展研究。结果发现高代谢导致泛酸消耗增加和乙酰-CoA利用的重新分配，表现为组蛋白H3乙酰化水平降低和乙酰胆碱合成通路代偿性上调，揭示了运动神经元在能量应激下的代谢权衡与潜在脆弱性，为理解代谢疾病和神经退行性变的机制提供了新视角。

　　

当细胞的能量工厂——线粒体出现故障时，生物体如何应对？特别是在高度依赖能量的神经元中，这种应对又会带来怎样的代价？线粒体氧化磷酸化（OxPhos）缺陷是多种代谢疾病和神经退行性疾病的共同特征，传统观点认为这会导致能量不足。然而，近年来科学家发现一种看似矛盾的现象：某些线粒体疾病患者反而表现出高代谢状态，即静息能量消耗异常增高。这种高代谢被认为是一种适应性反应，但其在神经元中的具体表现、分子机制以及潜在的细胞代价却鲜为人知。

为了深入探究这一问题，来自赫尔辛基大学的研究团队Ruben Torregrosa-Mu?umer等人，在《Communications Biology》上发表了他们的最新研究成果。他们关注的是一个与神经退行性疾病相关的特定基因突变——MT-ATP6基因上的无义突变（m.9154 C>T, p.Gln210Ter）。该基因编码ATP合酶（ATP synthase，Complex V）F₀结构域的一个关键亚基，而ATP合酶是线粒体能量生产的最后一步，负责利用质子梯度合成ATP。研究人员利用患者来源的诱导多能干细胞（iPSC）成功分化出运动神经元（iPSC-MN），并建立了异质性约为50%的突变细胞模型，以及同基因的野生型对照（0%异质性），从而在可控的遗传背景下研究高代谢对神经元的影响。

研究人员综合运用了多种关键技术方法。研究模型来源于携带特定MT-ATP6突变的患者皮肤成纤维细胞重编程获得的iPSC系及其分化的运动神经元。核心实验技术包括：使用Seahorse XF分析仪进行细胞能量代谢分析（测定氧消耗率OCR和细胞外酸化率ECAR）；利用稳定同位素标记（如U-¹³C-葡萄糖）进行代谢流分析（代谢组学）；通过基于液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）的数据非依赖采集（DIA）技术进行蛋白质组学分析；通过蓝绿原生胶电泳（Blue-Native PAGE）评估ATP合酶组装状态；以及利用免疫荧光、Western blot等方法检测线粒体膜电位、组蛋白乙酰化水平等。

50% MT-ATP6异质性不影响运动神经元分化但导致高代谢

研究人员首先证实，约50%的MT-ATP6突变异质性并不影响iPSC向运动神经元的分化效率，突变神经元与对照在标志物ISL1/2和Hb9的表达上无显著差异，且线粒体DNA拷贝数（反映线粒体质量）也保持稳定。然而，能量代谢分析却揭示了显著变化。与对照相比，突变运动神经元的基线线粒体呼吸、质子漏和最大呼吸能力均显著增加，细胞外酸化率（ECAR，通常与糖酵解和乳酸产生相关）和糖酵解速率也同步升高。重要的是，ATP总产率平均增加了约35%，这与在线粒体病患者中观察到的全身性静息耗氧量增加幅度（约30%）非常相似。尽管ATP合酶的组装受损，但线粒体膜电位和偶联效率却保持稳定。这些结果表明，突变运动神经元并未陷入能量危机，反而进入了一种高代谢状态，这是一种为满足神经元能量和/或生物合成需求的适应性机制。

高代谢增加神经元泛酸消耗

为了深入解析代谢表型，研究人员进行了代谢示踪实验。用完全标记的¹³C-葡萄糖培养细胞不同时间后，他们发现突变神经元中糖酵解终产物（丙酮酸、乳酸）以及多种三羧酸循环（TCA cycle）代谢物（尤其是苹果酸和富马酸）显著积累，表明糖酵解通量和TCA循环活性均增强。然而，在所有时间点，突变神经元中有一个代谢物——泛酸（维生素B5）的水平持续降低。泛酸是细胞无法自身合成的必需营养素，是辅酶A（CoA）的直接前体。这一发现提示，高代谢状态导致了泛酸消耗的增加。

线粒体蛋白质组重组以支持高代谢状态

蛋白质组学分析显示，突变神经元中有755个蛋白的表达发生显著改变。显著上调的通路主要与代谢相关，如呼吸电子传递、TCA循环、ATP合成和小分子转运。具体而言，参与丙酮酸代谢、脂肪酸代谢的酶以及多种小分子转运蛋白（包括胆碱转运体SLC5A7）表达增加。对氧化磷酸化系统的深入分析发现，复合物IV（细胞色素c氧化酶）的大部分亚基表达上调，而ATP合酶则呈现出独特的模式：与约50%异质性一致，MT-ATP6蛋白水平下降约一半，其组装伙伴MT-ATP8、ATP5MJ和ATP5MK的水平也降低，这解释了ATP合酶组装受损的原因；但有趣的是，ATP合酶F₁和F₀结构域的其他一些亚基（如ATP5MG，ATP5F1b）以及调控因子DMAC2L（Factor B）的表达却增加了。这些变化并非全局性线粒体生物发生的增加（因为mtDNA拷贝数未变），而是线粒体功能蛋白质组的重组，以适应ATP合酶缺陷并支持更活跃的代谢。

高代谢导致乙酰-CoA利用的重新分配

泛酸水平的降低暗示了其产物CoA代谢的改变。CoA是酰基载体，其最重要的衍生物之一是乙酰-CoA（acetyl-CoA），它是能量代谢和生物合成的核心枢纽。蛋白质组学数据显示，突变神经元中参与乙酰-CoA生物合成的多个酶（如线粒体中的PDHB、ACAT1，胞质/核中的ACLY、ACSS2）表达上调，但乙酰-CoA本身的水平仅轻微升高且不持续显著，表明其生产和消耗达到了新的平衡。这意味着高代谢增加了对乙酰-CoA的需求。

研究人员随后探究了乙酰-CoA的不同去向。在TCA循环方面，尽管进入TCA循环的经典入口——丙酮酸脱氢酶复合体（PDH）的一个亚基PDHB上调，但其抑制亚基（PDHA1，即OSCP）也增加，且PDH磷酸化水平无变化，提示葡萄糖来源的乙酰-CoA进入TCA循环氧化的量可能并未显著增加。相反，回补反应（anaplerosis）可能增强，这解释了TCA循环中间产物（如苹果酸、富马酸）的积累。

在脂质合成方面，负责胞质脂肪酸合成的FASN和线粒体脂肪酸合成（mtFAS）最后一步的MECR均上调，表明乙酰-CoA被更多地用于脂质生物合成。然而，蛋白质脂酰化水平未见变化。

在运动神经元中，乙酰-CoA的一个重要去向是合成神经递质乙酰胆碱（ACh）。虽然直接测量到的ACh水平未显著下降，但参与ACh合成（胆碱乙酰转移酶）和降解（乙酰胆碱酯酶AChE）的多个酶表达上调，提示细胞需要通过代偿性上调来维持ACh水平，这暴露了神经元功能的一个潜在脆弱点。

乙酰-CoA的另一关键功能是作为蛋白质翻译后修饰的辅因子，特别是组蛋白的乙酰化，这是表观遗传调控的基本机制。令人惊讶的是，蛋白质组学分析显示，突变神经元中与基因表达、染色质组织、组蛋白乙酰化和DNA甲基化相关的通路显著下调。许多参与组蛋白乙酰化（如CREBBP, KAT7）和去乙酰化（如HDAC1, HDAC2）的修饰酶，以及DNA甲基化酶（如DNMT1, DNMT3A）和染色质重塑蛋白表达降低。实验验证证实，突变神经元中组蛋白H3的泛乙酰化水平降低了约40%。此外，SUMO化（SUMOylation）通路也显著下调。

研究结论与意义

本研究首次在人类神经元模型中系统揭示了由MT-ATP6突变导致的ATP合酶缺陷所引发的高代谢状态及其深层分子机制和细胞代价。研究结果表明，高代谢并非简单的能量浪费，而是触发了复杂的代谢重组。其核心特征是对中心代谢物乙酰-CoA的需求增加和利用优先级的重新分配。当乙酰-CoA被更多地导向生物合成途径（如脂质合成）以支持高代谢需求时，其用于组蛋白乙酰化的可用性受到限制，从而导致表观遗传景观的重塑——组蛋白乙酰化水平降低。同时，维持关键神经递质乙酰胆碱稳定也面临压力，需要代偿机制来维持。这些代谢权衡（trade-offs）可能对本身能量需求就高的神经元构成长期风险。

这项研究的意义在于：它将高代谢的概念扩展到了神经元这一关键细胞类型；揭示了乙酰-CoA的重新分配是连接代谢缺陷与表观遗传改变和神经元功能潜在脆弱性的关键环节；提示泛酸消耗可能作为高代谢的一个潜在生物标志物；并为理解代谢与神经退行性变之间的相互作用提供了新的视角，为未来开发针对高代谢及相关疾病的干预策略奠定了理论基础。尽管药物avanafil在本实验条件下未能逆转代谢变化，但阐明这些机制本身即为寻找新的治疗靶点开辟了道路。总之，这项工作深化了对细胞在能量应激下适应性反应的理解，强调了代谢平衡对于维持神经元健康至关重要。