急性腦缺血中風是全世界發(fā)病率和死亡率最高的疾病之一，可造成毀滅性和永久性的神經(jīng)損傷。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，星形膠質(zhì)細胞-神經(jīng)元細胞間的線粒體傳遞對于維持神經(jīng)元細胞的有氧呼吸和能量供給具有重要的意義。低密度脂蛋白受體相關蛋白-1（Low density lipoprotein receptor related protein-1，LRP1）是一種內(nèi)吞/信號細胞表面受體，調(diào)節(jié)多種細胞功能。前期研究表明，LRP1與神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制有關，但其在大腦中的確切功能尚未有統(tǒng)一定論。因此，LRP1是否參與維持大腦穩(wěn)態(tài)以及如何發(fā)揮作用還有待明確。最近，西南醫(yī)科大學附屬醫(yī)院在《Cell Metabolism》上發(fā)表了題為“Astrocytic LRP1 enables mitochondria transfer to neurons and mitigates brain ischemic stroke by suppressing ARF1 lactylation”的文章，研究報道了星形膠質(zhì)細胞LRP1通過減少乳酸的產(chǎn)生和囊泡運輸?shù)鞍譇DP核糖基化因子1（ADP ribosylation factor 1，ARF1）的乳酸化來促進星形膠質(zhì)細胞到神經(jīng)元的線粒體轉(zhuǎn)移，這一過程可以拮抗缺血所造成的器官損傷。

作者首先證明了星形膠質(zhì)細胞可以釋放健康的線粒體并將其轉(zhuǎn)移到鄰近的神經(jīng)元。隨后，為了檢驗星形膠質(zhì)細胞LRP1是否影響線粒體的釋放和轉(zhuǎn)移，研究者敲低了小鼠星形膠質(zhì)細胞中的Lrp1基因，在新鮮培養(yǎng)基中培養(yǎng)24h后收集星形膠質(zhì)細胞條件培養(yǎng)基（Astrocyte-conditioned medium，ACM）。與對照組相比，Lrp1基因敲低減少了細胞外線粒體的數(shù)量，并伴有線粒體功能下降，包括耗氧量和ATP產(chǎn)生減少。接下來，研究者從mitoSypHer標記的星形膠質(zhì)細胞中分離細胞外線粒體，并將其添加到小鼠HT22海馬神經(jīng)元中。熒光顯微觀察證實，與對照組相比，Lrp1缺失的ACM細胞外線粒體處理的神經(jīng)元中mitoSypHer標記的線粒體較少，這表明Lrp1敲除減少了線粒體向神經(jīng)元的轉(zhuǎn)移。此外，在神經(jīng)元-星形膠質(zhì)細胞共培養(yǎng)24h后，在對照神經(jīng)元中觀察到更多的線粒體，而在與Lrp1缺失的星形膠質(zhì)細胞共培養(yǎng)的神經(jīng)元中則沒有。由此可見，星形膠質(zhì)細胞中Lrp1的缺失降低了共培養(yǎng)神經(jīng)元的線粒體ATP生成和氧消耗率（OCR）。總的來說，這些結果表明星形膠質(zhì)細胞LRP1促進線粒體從星形膠質(zhì)細胞轉(zhuǎn)移到鄰近的神經(jīng)元。

圖1. 星形膠質(zhì)細胞LRP1促進星形膠質(zhì)細胞到神經(jīng)元的線粒體轉(zhuǎn)移

（圖片來自《Cell Metabolism》）

線粒體在細胞能量代謝中起核心作用。為了探索LRP1介導的線粒體轉(zhuǎn)移的代謝機制，研究者們對表達shCtrl或shLrp1的星形膠質(zhì)細胞進行了靶向代謝組學分析。結果觀察到，在Lrp1缺失的星形膠質(zhì)細胞中，細胞內(nèi)葡萄糖和糖酵解中間體甘油醛3-磷酸和乳酸增加。隨著糖酵解和三羧酸循環(huán)（TCA）代謝物的積累，與shCtrl組相比，shLrp1組星形膠質(zhì)細胞的OCR和細胞外酸化率（ECAR）均升高。此外，Lrp1敲低的星形膠質(zhì)細胞的ECAR/OCR比率和ATP生成速率也顯著增加，表明糖酵解相對于氧化磷酸化增強。

接下來，研究者通過¹³C示蹤實驗進一步研究Lrp1基因敲低星形膠質(zhì)細胞乳酸水平升高的原因。分別用[U-¹³C]葡萄糖、[U-¹³C]L-谷氨酰胺或[U-¹³C]乙酸標記星形膠質(zhì)細胞，并分析了¹³C隨后整合到乳酸和TCA循環(huán)代謝產(chǎn)物中的情況。結果表明，大部分乳酸是由葡萄糖產(chǎn)生的，Lrp1敲低增加了星形膠質(zhì)細胞中乳酸的產(chǎn)生。這些結果表明星形膠質(zhì)細胞Lrp1敲低通過糖酵解產(chǎn)生更多的乳酸。

圖2. Lrp1敲低促進星形膠質(zhì)細胞的糖酵解和乳酸代謝

（圖片來自《Cell Metabolism》）

隨著乳酸的增加，研究者觀察到接受shLrp1治療的星形膠質(zhì)細胞中整體蛋白賴氨酸乳酸化（Kla）水平升高。為了測試ARF1-Kla⁷³是否是線粒體釋放的關鍵介質(zhì)，將ARF1的Lys⁷³突變?yōu)榫彼幔↘73R），從而阻止了乳酸化修飾。結果顯示，K73R轉(zhuǎn)染的細胞中ARF1活性受到抑制，線粒體釋放上調(diào)。相比之下，K73突變?yōu)楣劝滨０罚↘73Q），模擬了乳酸化，導致ARF1的激活和線粒體釋放的進一步抑制。這些發(fā)現(xiàn)表明乳酸通過ARF1-Kla⁷³降低星形膠質(zhì)細胞的線粒體釋放。

圖3. ARF1-K⁷³乳酸化介導lRP1誘導的線粒體釋放

（圖片來自《Cell Metabolism》）

接下來，作者驗證了LRP1誘導的線粒體轉(zhuǎn)移是否能保護腦缺血損傷。敲除C57BL/6J雄性小鼠星形細胞中的Lrp1。結果表明，Lrp1條件敲低（cKD）小鼠表現(xiàn)出大腦中葡萄糖攝取增加和乳酸水平升高，從而導致腦脊液（CSF）中星形膠質(zhì)細胞線粒體減少。通過共聚焦顯微鏡和活體雙光子成像證實，Lrp1敲低導致神經(jīng)元中星形膠質(zhì)細胞來源的線粒體減少。大腦中動脈閉塞（MCAO）手術后，Lrp1 cKD小鼠腦梗死區(qū)域明顯增大，提示LRP1對腦缺血損傷具有保護作用。此外，通過改進的Bederson神經(jīng)評分，水迷宮和曠場測試發(fā)現(xiàn)，Lrp1 cKD小鼠表現(xiàn)出神經(jīng)功能惡化。這與邊緣區(qū)神經(jīng)元中星形膠質(zhì)細胞來源細胞內(nèi)線粒體減少的結果一致。這一結果強調(diào)了星形膠質(zhì)細胞在應激條件下保持大腦穩(wěn)態(tài)的潛在作用。

圖4. LRP1調(diào)控的星形膠質(zhì)細胞線粒體轉(zhuǎn)移減輕腦缺血再灌注損傷

（圖片來自《Cell Metabolism》）

研究者進一步測試了ARF1-K⁷³乳酸化是否介導LRP1對腦I/R損傷的保護作用。將攜帶ARF1野生型（WT）、ARF1-K73R或ARF1-K73Q的2型腺相關病毒（AAV2）注射到星形膠質(zhì)細胞特異性敲低Lrp1的C57BL/6J小鼠體內(nèi)。與接受ARF1-WT的Lrp1 cKD小鼠相比，接受ARF1-K73R的小鼠在CSF和神經(jīng)元中表現(xiàn)出更多的星形膠質(zhì)細胞來源的線粒體。這表明在缺乏Lrp1的情況下，減少ARF1乳酸化會增加星形膠質(zhì)細胞線粒體釋放。用MCAO誘導這些小鼠I/R損傷，以評估ARF1-K73R和ARF1-K73Q在腦損傷中的作用。與ARF1-WT治療的Lrp1 cKD小鼠相比，接受ARF1-K73R治療的小鼠梗死面積減少，神經(jīng)功能改善，邊緣區(qū)神經(jīng)元中星形膠質(zhì)細胞來源的線粒體增加。這表明，星形膠質(zhì)細胞ARF1乳酸化減少線粒體轉(zhuǎn)移，加重腦I/R損傷。隨后，研究者又量化了人類卒中患者和正常受試者的CSF乳酸水平。與正常對照相比，缺血性腦卒中患者CSF乳酸水平顯著升高，乳酸水平與梗死面積呈正相關，與CSF星形膠質(zhì)細胞線粒體呈負相關。這些結果支持了乳酸降低線粒體轉(zhuǎn)移并加重腦I/R損傷的結論。

圖5. 星形膠質(zhì)細胞ARF1-K⁷³乳酸化降低線粒體轉(zhuǎn)移加重腦I/R損傷

（圖片來自《Cell Metabolism》）

本研究揭示了LRP1通過調(diào)節(jié)健康線粒體從星形膠質(zhì)細胞向受損神經(jīng)元的轉(zhuǎn)移發(fā)揮其在缺血性腦卒中中的保護作用。這為腦卒中和阿爾茲海默癥等神經(jīng)性相關疾病的研究提供了理論基礎，也說明了靶向線粒體轉(zhuǎn)移的干預手段在疾病預防和治療中具有良好的應用潛力。

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相關蛋白、抗體和試劑盒：

相關原代細胞和動物模型：