Life Metabolsim丨李洋團隊揭示能量應激下海馬體溶酶體可充當TCA相關代謝物合成與儲存的樞紐

在真核細胞中，代謝反應被精細地分配在不同的細胞器中進行。溶酶體因其酸性腔內環境和豐富的水解酶，長期以來被視為負責終極降解的“細胞焚化爐”。然而，近些年的研究顯示溶酶體膜上聚集了mTORC1等關鍵的營養感受器，使其成為整合營養信號、調控細胞生長與自噬的核心，降解產物通過特異性膜轉運體輸出，重新進入生物合成或能量代謝途徑。因此，溶酶體實質上是一個動態的代謝整合中心。大腦，尤其是海馬體，是代謝最活躍的器官之一，其持續的突觸活動與信息處理消耗大量能量，對營養供應波動極為敏感。自噬-溶酶體途徑是神經元維持蛋白質穩態和代謝平衡的核心機制。然而，在活體條件下，能量匱乏時神經元溶酶體內部的代謝物組成究竟如何變化，是否以及如何參與中心碳代謝的調控等問題仍有待闡明。

近日，復旦大學基礎醫學院李洋團隊在Life Metabolism期刊發表題為Lysosomes contribute to the synthesis of TCA-related metabolites in the hippocampus的研究論文，通過建立體內AAV-LysoTag/Lyso-IP技術平臺，結合代謝組學與脂質組學分析，系統揭示了在隔日禁食（EODF）能量應激下，小鼠海馬體神經元溶酶體代謝網絡的動態重塑。研究發現，能量匱乏不僅誘導溶酶體內氨基酸和脂質衍生小分子的積累，更重要的是導致了蘋果酸、α-酮戊二酸及檸檬酸等三羧酸循環關鍵中間體在溶酶體內的特異性富集。進一步的機制研究表明，這些TCA相關代謝物通過三條平行的途徑在溶酶體內積累與維持：線粒體遞送、溶酶體駐留酶的局部生成，以及轉運蛋白介導的交換。該研究將溶酶體從被動的“降解終點”重新定義為活躍的、可動員的“代謝樞紐”，為理解神經元在能量稀缺條件下的代謝適應提供了全新的概念框架。

原文鏈接：https://doi.org/10.1093/lifemeta/loag005

為在體定量解析海馬體中溶酶體代謝，研究團隊構建了體內AAV-LysoTag/Lyso-IP技術平臺。通過向小鼠海馬體立體定位注射AAV表達帶EGFP-3×HA標簽的溶酶體膜蛋白TMEM192，實現對神經元溶酶體的特異標記。隨后，利用抗HA磁珠免疫沉淀技術分離出完整的溶酶體，并通過亞細胞標志蛋白驗證純度。在此基礎上，結合靶向代謝組學，實現了對海馬體神經元溶酶體內代謝物的絕對定量，為在體研究溶酶體代謝圖譜提供了方法學支撐。

研究采用EODF模型模擬能量應激狀態，代謝組學分析顯示，EODF組小鼠海馬體溶酶體的代謝譜發生了顯著重編程。PLS-DA分析模型清晰地分離了EODF與自由進食組（AL）。在鑒定的109種代謝物中，58種在EODF組顯著上調，包括43種脂質、7種氨基酸、4種肉堿、3種有機酸及1種核苷酸。通路富集分析揭示，這些差異代謝物顯著富集于丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸代謝、乙醛酸及二羧酸代謝以及檸檬酸循環等關鍵代謝通路。其中，蘋果酸-天冬氨酸穿梭通路的富集程度最高，提示其在能量應激響應中的核心地位。全局代謝網絡分析顯示，EODF誘導的代謝重塑以TCA循環節點（蘋果酸、α-酮戊二酸、檸檬酸）為核心，通過天冬氨酸等節點，廣泛串聯了氨基酸代謝、脂質代謝及氮代謝，形成了一個協調碳-氮平衡的適應性網絡。與此同時，脂質組學分析表明，能量應激下溶酶體內雙（單?；视停┝姿幔˙MP）、鞘脂和心磷脂等脂質分子顯著上調，這些變化與TCA代謝物的積累顯著正相關，揭示了脂代謝與中心碳代謝在溶酶體水平的協同重構。

進一步分析發現，在能量匱乏條件下，海馬體溶酶體內蘋果酸、α-酮戊二酸和檸檬酸這三種核心TCA循環中間體的水平顯著升高。TCA循環是細胞能量代謝和生物合成的核心，傳統上認為其完全發生在線粒體基質內。溶酶體內出現高濃度的TCA中間體，強烈暗示溶酶體與中心碳代謝網絡存在前所未有的直接聯系。這些TCA代謝物從何而來？研究通過整合細胞成像、蛋白質定位和功能抑制實驗，提出了一個由三條互補途徑共同維持的模型。首先，在饑餓條件下，HT22細胞中溶酶體與線粒體的共定位顯著增加，且在線粒體分裂抑制劑Mdivi-1處理后，溶酶體內部分TCA代謝物的積累被部分抑制。同時，Western blot在溶酶體組分中檢測到線粒體外膜蛋白VDAC。這些證據表明，能量應激增強了線粒體自噬，將線粒體內容物（包括TCA代謝物）運送至溶酶體進行降解，構成了一個直接的輸入來源。

然而，研究也觀察到，即使在基礎狀態下，也有大量溶酶體不與線粒體共定位，且蘋果酸在溶酶體內本就維持著較高基礎水平。這提示存在不依賴于線粒體的來源。免疫熒光與免疫印跡分析發現，TCA循環中的關鍵酶——異檸檬酸脫氫酶（IDH）和延胡索酸水合酶（FH）——在溶酶體上存在明確的定位信號（Figure 4）。更重要的是，即使用Mdivi-1抑制線粒體內容物輸送，這些酶在溶酶體的信號依然持續存在。這表明IDH和FH可能作為溶酶體的“常駐酶”，在溶酶體腔內或膜上局部催化TCA中間體的生成或轉化。研究進一步發現，負責線粒體內膜蘋果酸-α酮戊二酸交換的酮戊二酸載體（OGC, SLC25A11），其信號同樣出現在LAMP1陽性的溶酶體區室中。這暗示溶酶體膜上可能存在類似的代謝物交換系統，能夠主動與細胞質或其他細胞器交換蘋果酸、α-酮戊二酸等代謝物，從而動態調節其內部庫容。

綜上所述，該研究通過創新的在體溶酶體分離與多組學技術，首次系統描繪了能量應激下海馬體神經元溶酶體的代謝全景圖。研究不僅證實了溶酶體作為降解產物“原料庫”的經典角色，更關鍵地揭示了其作為“TCA循環代謝物合成與儲存樞紐”的全新功能。在能量應激下，海馬體神經元通過調動溶酶體這一代謝樞紐，建立了由三條途徑維持的TCA代謝物儲備池。這一機制可能具有多重生理意義：首先，它可以作為代謝緩沖池，在外部營養供應受限時，為線粒體TCA循環補充碳流底物，維持ATP生成。其次，α-酮戊二酸等代謝物本身是重要的信號分子，參與表觀遺傳修飾和基因表達調控，溶酶體可能通過調控其局部濃度影響細胞的整體應激反應。最后，這與溶酶體活躍的脂質降解與重塑過程相輔相成，共同支撐神經元在能量壓力下的膜穩態與功能完整性?？傊?，該研究為理解大腦在生理與病理狀態下的代謝韌性提供了創新框架，為靶向溶酶體代謝適應性的神經保護策略開辟新的方向。

原文鏈接：https://academic.oup.com/lifemeta/advance-article/doi/10.1093/lifemeta/loag005/8490773

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