Cell Metab：调控小胶质细胞葡萄糖代谢在阿尔茨海默病中的作用

小胶质细胞是中枢神经系统的常驻免疫细胞，其具有监视和清除病原体的功能。研究发现有氧糖酵解的产物乳酸可以使小胶质细胞促炎细胞因子的释放增加，而抑制糖酵解可以改善一些与炎症有关的疾病。最近，研究发现糖酵解产生的乳酸是组蛋白乳酸化的底物，并且组蛋白（如H3K18位点）乳酸化（H3K18la）可以直接促进基因转录。而且组蛋白乳酸化参与调控巨噬细胞M1/2极化、体细胞重新编程和肿瘤发生。军事医学科学院袁增强团队联合北京大学孙露洋团队据此开展研究并于Cell Metabolism上发表论文“Positive feedback regulation of microglial glucose metabolism by histone H4 lysine 12 lactylation in Alzheimer’s disease”。

研究结果

H4K12la水平在5×FAD小鼠脑内斑块相邻小胶质细胞中特异性升高

作者首先检查了5×FAD（AD模型）小鼠海马中的乳酸水平并通过蛋白质印迹法分析组蛋白乳酸化水平。结果显示，与野生型（WT）对照小鼠相比， 5×FAD小鼠的乳酸水平明显升高（图1A），并且前额皮层和海马的泛-赖氨酸乳酸化（Pan Kla）和组蛋白H4第12位赖氨酸残基上的乳酸化（H4K12la）水平都有所增加（图1B），对AD患者脑组织进行分析的结果与上述AD小鼠模型结果类似（图1C）。运用H4K12la与神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞的标记物抗体进行免疫荧光共染以及蛋白质印迹法分析组蛋白乳酸化水平，结果表明，H4K12la是5×FAD小鼠脑内斑块邻近的小胶质细胞中最普遍受影响的组蛋白乳酸化修饰（图1D-G）。

图1 组蛋白乳酸化在5×FAD小鼠和AD患者脑组织中增加

糖酵解/H4K12la/PKM2在AD小鼠的小胶质细胞中形成正反馈循环

随后作者观察到在5×FAD小鼠的小胶质细胞中，随着AD发病的进展，糖酵解基因Hif-1α、Pkm2和Ldha的表达也同时显著增加。而与年龄匹配的WT小鼠相比，6个月大的5×FAD小鼠的小胶质细胞PKM2的积累明显增加（图2A）。与PKM2的代谢功能一致，AD小鼠小胶质细胞中的乳酸水平明显升高（图2B），这一结果支持AD进程中小胶质细胞有氧糖酵解的异常激活。通过对小胶质细胞和Aβ斑块区域进行针对PKM2的免疫荧光染色，作者发现PKM2的上调大多出现在Aβ斑块邻近的小胶质细胞中（图2C）。这些结果支持如下概念：即AD发病时，小胶质细胞中糖酵解活跃，产生大量乳酸促进H4K12la修饰，而H4K12la修饰可提高小胶质细胞中多个糖酵解基因的转录水平，进一步增强小胶质细胞糖酵解，由此形成糖酵解/H4K12la/PKM2正反馈循环。

为进一步验证糖酵解/H4K12la/PKM2正反馈循环对小胶质细胞功能的影响，作者通过在BV2细胞中构建Pkm2稳定敲除的小胶质细胞系以及使用PKM2抑制剂处理BV2细胞，发现胞内乳酸水平以及Pan Kla和H4K12la水平急剧下降，糖酵解基因启动子上的H4K12la水平也明显下降（图2 G-N），表明PKM2的抑制破坏了小胶质细胞中糖酵解/H4K12la/PKM2的正反馈循环。此外，作者通过对比f/f;AD（对照）小鼠与其构建的Pkm2特异性敲除的AD小鼠（cKO;AD），发现通过基因敲除Pkm2中断糖酵解/H4K12la/PKM2正反馈循环还可抑制5×FAD小鼠的小胶质细胞的异常激活，降低脑部炎症反应。

图2 糖酵解/H4K12la/PKM2在小胶质细胞中形成正反馈循环

特异性敲除小胶质细胞中的Pkm2可改善5×FAD小鼠的Aβ病理状况以及空间学习和记忆能力

作者通过硫黄素S（TS）染色标记小鼠脑部Aβ斑块和莫里斯水迷宫（Morris Water Maze）研究来比较f/f;AD和cKO;AD小鼠脑部的Aβ病理情况以及空间学习和记忆能力。结果表明特异性敲除小胶质细胞Pkm2导致大脑Aβ斑块含量明显减少（图3A-C）。此外cKO;AD小鼠的学习能力和记忆保持力都比f/f;AD小鼠明显提高（图3 D-I）。说明通过基因敲除PKM2中断糖酵解/H4K12la/PKM2循环，可以改善5×FAD小鼠的Aβ病理以及空间学习和记忆缺陷。作者还发现通过药物抑制PKM2可以减轻5×FAD小鼠的Aβ沉积负担和小胶质细胞的异常激活程度。

图3 小胶质细胞中Pkm2特异性敲除可改善Aβ病理并提高5×FAD小鼠的空间学习和记忆能力

综上，该研究揭示了AD病程中糖酵解/H4K12la/PKM2的正反馈循环，该循环驱动小胶质细胞异常激活，抑制这种恶性循环可能是治疗AD的一个有效策略。

参考文献

Pan et al., Positive feedback regulation of microglial glucose metabolism by histone H4 lysine 12 lactylation in Alzheimer’s disease, Cell Metabolism (2022), https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.02.013

编译作者:  Amber (Brainnews创作团队) 

校审: 神经小子 (Brainnews编辑部)

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