内质网乙酰辅酶A转运体AT-1过表达重塑神经元代谢、生长与突触活性

《iScience》：Overexpression of endoplasmic reticulum acetyl-CoA transporter AT-1 alters neuronal metabolism, growth, and synaptic activity

　　

乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）是细胞代谢稳态的核心分子。作为分泌途径的一部分，乙酰辅酶A通过膜结合转运体AT-1（SLC33A1）被导入内质网（endoplasmic reticulum，ER）。AT-1突变与周围神经病变、伴有早夭的发育迟缓以及伴有早老症的智力障碍相关。在本研究中，研究人员表明AT-1过表达影响与神经元功能和可塑性相关的多种表型。在转录组和蛋白质组水平上，研究人员鉴定了核糖体、突触加工和代谢通路方面的差异。代谢适应包括线粒体膜电位、结构和呼吸的变化，示踪实验揭示了葡萄糖命运的改变，倾向于糖原储存而非磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP）。氧化还原状态的改变与NAD依赖性蛋白SIRT1和CtBP2相关。脂质储存的耗竭与燃料底物利用的更大可塑性相关。代谢适应与突触活性降低同时发生，表明神经元通讯在一定程度上通过乙酰辅酶A代谢进行协调。

研究背景与科学问题

乙酰辅酶A（Acetyl-CoA）是连接细胞能量代谢与生物合成的重要代谢中间体，同时作为蛋白质乙酰化修饰的底物，在代谢感知、调控与适应中发挥核心作用。在神经元中，乙酰辅酶A的胞质池通过ATP柠檬酸裂解酶（ACLY）和乙酰辅酶A合成酶（ACSS2）合成，并由内质网（ER）膜结合转运体AT-1（SLC33A1）转运至内质网腔，用于货物蛋白和驻留蛋白的Nε-赖氨酸乙酰化。既往研究表明，AT-1功能丧失可导致中枢及周围神经系统退行性病变，而AT-1过表达则引起行为异常和早老表型，提示乙酰辅酶A的亚细胞分布对神经元功能具有重要影响。然而，AT-1过表达如何通过改变代谢状态影响神经元结构、突触通讯和整体脑功能，其内在机制尚不清楚。本研究旨在系统解析AT-1过表达对神经元代谢、生长和突触活性的影响，揭示乙酰辅酶A代谢与神经元通讯之间的协调关系。

研究设计与技术方法

研究人员采用神经元特异性过表达人源AT-1的转基因小鼠模型（AT-1^sTg），分离胚胎第17天（E17）的原代皮层神经元进行体外研究，并以3–4月龄雄性小鼠皮层组织进行体内验证。主要技术方法包括：批量RNA测序（RNA-seq）与液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）蛋白质组学分析，结合基因集富集分析（GSEA）和过表达分析（ORA）进行通路解析；JC-1染色检测线粒体膜电位，Resipher系统实时监测细胞耗氧量；U-¹³C标记葡萄糖代谢示踪结合LC-MS/MS定量代谢物标记模式；2-NBDG荧光类似物检测糖原储存，LipidTox染色评估脂滴；多光子激光扫描显微镜（MPLSM）和荧光寿命成像显微镜（FLIM）检测NAD(P)H丰度与荧光寿命；多电极阵列（MEA）记录神经元自发电活动；Sholl分析评估树突分支复杂度；靶向脂质组学分析脂质种类及种间相关性。

研究结果

AT-1影响神经元代谢和生长通路。 转录组分析鉴定出632个差异表达基因，GSEA显示免疫和分泌通路下调，代谢、翻译和突触调控通路上调。AT-1^sTg神经元部分重现衰老皮层转录特征，核糖体通路为共享的正向富集通路。蛋白质组学与转录组学在代谢和翻译通路层面具有一致性。

AT-1过表达驱动神经元线粒体活性增强。 AT-1^sTg神经元中PGC-1α1和PGC-1α B1E2亚型表达显著升高，PGC-1α靶基因（Cox5b、Cycs、Idh3a、Sod2）及Pdk4上调。线粒体膜电位升高，细胞耗氧量增加，电子传递链复合物I和V亚基蛋白水平升高，而活性氧（ROS）水平无差异。线粒体形态呈更网状化排列，融合相关蛋白MFN2升高而分裂相关蛋白DRP1降低，提示融合-分裂平衡偏向融合。

AT-1过表达改变细胞葡萄糖命运。 代谢示踪显示TCA循环代谢物标记无基因型差异，但磷酸戊糖途径产物GMP和UMP标记显著降低。2-NBDG检测显示AT-1^sTg神经元糖原储存显著增加，提示葡萄糖被分流至糖原储存而非磷酸戊糖途径。

AT-1过表达改变燃料底物灵活性和脂质储存。 AT-1^sTg神经元脂滴数量、大小和总面积均显著减少。抑制剂实验显示，谷氨酰胺酶抑制剂BPTES和CPT-1抑制剂Etomoxir对AT-1^sTg神经元耗氧量的影响小于WT，恢复更快，而丙酮酸转运抑制剂UK5099的影响无基因型差异。脂质组学检测到31种差异脂质，且甘油三酯和磷脂酰胆碱等脂类内部的种间相关性模块在AT-1^sTg神经元中完全紊乱。

AT-1过表达改变氧化还原代谢和代谢微环境。 多光子成像显示AT-1^sTg神经元胞质和核内NAD(P)H荧光强度升高，FLIM显示平均荧光寿命（τ_m）及自由态（τ₁）和蛋白结合态（τ₂）组分均显著升高。SIRT1蛋白丰度升高，总细胞乙酰化赖氨酸水平降低，CtBP2蛋白升高，染色质重塑相关通路富集。

AT-1过表达破坏突触通讯。 Sholl分析显示AT-1^sTg神经元树突分支数增加而胞体大小不变。突触蛋白SYT1、SNAP25、Homer1和GluR2表达降低，GluR1升高。钠通道和钾通道通路在转录水平显著下调。MEA记录显示DIV7时AT-1^sTg网络成熟比例更高，但DIV21和DIV28时平均放电频率、爆发频率和网络爆发频率均显著低于WT，同步性指数数值上更高。

AT-1过表达改变皮层代谢和信号通路。 皮层蛋白质组学鉴定出324个名义差异蛋白，Cox5a显著降低。ORA显示上调蛋白富集于蛋白结合、脂肪酸代谢和胞内信号通路，下调蛋白富集于燃料生物合成、钙信号和翻译通路。ERAD通路正向富集，线粒体相关GO项（ATP生物合成、呼吸链复合物、线粒体膜）受抑制，染色质重塑通路上调，嘌呤代谢下调。与衰老皮层蛋白质组比较，约三分之一的改变共享且方向一致。

讨论与结论

本研究表明，AT-1过表达通过将乙酰辅酶A从胞质分流至内质网，触发神经元的系统性代谢适应。线粒体膜电位升高、形态重塑为网状化网络以及呼吸增强，可视为恢复胞质乙酰辅酶A池的代偿性反应。代谢示踪未显示TCA循环差异，提示呼吸增强可能由非葡萄糖底物支持。然而，脂滴耗竭与对CPT-1抑制的耐受性并存，提示脂质消耗可能并非作为燃料，而是作为乙酰辅酶A的来源。糖原异常积累是意外发现，与神经元功能障碍相关。氧化还原状态改变通过NAD依赖性蛋白SIRT1和CtBP2影响乙酰化水平和染色质重塑。突触通讯受损表现为突触蛋白表达降低、离子通道下调以及成熟网络中放电和爆发频率下降，而树突分支增加，提示乙酰辅酶A分布紊乱通过解偶联突触维持与树突生长导致通讯网络功能异常。体内皮层数据与体外神经元结果在ER应激、线粒体功能、嘌呤代谢和突触通路方面具有一致性，并部分重现衰老特征。本研究确立了乙酰辅酶A作为神经元健康感知和调节因子的核心地位，强调了维持代谢完整性对神经元通讯和功能网络组装的重要性。

研究局限性

该研究未明确突触功能障碍是能量代谢改变的直接结果还是其他乙酰辅酶A依赖过程的间接后果；研究仅聚焦神经元，未评估胶质细胞对乙酰辅酶A处理变化的反应；体内实验仅使用雄性小鼠，未评估性别差异。