Cell Metab | 喜訊！四川大學(xué)華西醫(yī)院李濤等團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)乙酸能改善睡眠紊亂導(dǎo)致的代謝失衡和認(rèn)知障礙

睡眠是維持整體健康至關(guān)重要的基本生理過程，但現(xiàn)代生活方式導(dǎo)致不良或睡眠不足現(xiàn)象逐漸增加，進(jìn)而引發(fā)各種健康問題，如代謝、認(rèn)知、心血管和免疫功能障礙。解決睡眠障礙可能是預(yù)防代謝功能障礙的關(guān)鍵，然而，將睡眠中斷與代謝障礙聯(lián)系起來的分子機(jī)制仍知之甚少。2024年8月四川大學(xué)李濤等團(tuán)隊(duì)一篇題為“Acetate enables metabolic fitness and cognitive performance during sleep disruption”的研究論文發(fā)表在Cell Metabolism期刊上，該研究表明睡眠紊亂會導(dǎo)致代謝失衡和認(rèn)知障礙，補(bǔ)充乙酸可激活丙酮酸羧化酶，從而恢復(fù)糖酵解和三羧酸循環(huán)，改善代謝失衡和認(rèn)知異常。

邁維代謝為該研究提供了短鏈脂肪酸靶向代謝組檢測！

研究方法

組學(xué)方法：短鏈脂肪酸靶向代謝組檢測，高通量靶向代謝組學(xué)分析，16S rRNA基因測序分析，血液蛋白質(zhì)組學(xué)分析等；

其他方法：ELISA，抗生素治療，Western blotting，qRT-PCR等；

研究結(jié)果

1.SF損害葡萄糖代謝和認(rèn)知功能

為了研究 SF（Sleep fragmentation，碎片化睡眠，以睡眠結(jié)構(gòu)紊亂為特征）對認(rèn)知和代謝的影響，研究人員在成年雄性 C57BL/6J 小鼠上建立了 SF 模型（圖 1A）。在光照期間，使用軌道轉(zhuǎn)子誘導(dǎo) SF 持續(xù) 2 周。SF 組和 CON（對照組）小鼠均可自由獲取食物和水。為了評估 SF 條件下的睡眠模式，使用植入電極進(jìn)行了基于腦電圖（EEG）/肌電圖（EMG）的睡眠/覺醒分析。與 CON 小鼠相比，SF 小鼠在光照期間覺醒時(shí)間增加。此外，光照期間非快速眼動（NREM）睡眠減少，黑暗期間快速眼動（REM）睡眠增加，但兩組小鼠在 24 小時(shí)內(nèi)三個(gè)睡眠-覺醒周期（覺醒、NREM、REM）的比例沒有顯著差異。此外，SF 小鼠在 24 小時(shí)內(nèi)睡眠階段之間的轉(zhuǎn)換更頻繁。這些發(fā)現(xiàn)表明，14 天的 SF 程序誘導(dǎo)了一種特征性的碎片化睡眠模式。SF 小鼠白天活動增加，而夜間活動沒有改變，同時(shí)白天和夜間的食物攝入量也增加。SF 組小鼠每日食物攝入量增加，但體重沒有變化，這可能是由于 SF 下能量消耗增加所致，并與先前的研究結(jié)果一致。 此外，SF 小鼠表現(xiàn)出明顯的糖代謝紊亂，包括血糖水平升高和葡萄糖不耐受（圖 1B 和 1C），以及胰島素抵抗（圖 1D 和 1E）。與葡萄糖代謝紊亂一致，SF 小鼠的認(rèn)知能力受損，表現(xiàn)為在 Morris 水迷宮測試中目標(biāo)象限內(nèi)行走的距離更短、花費(fèi)的時(shí)間更少、穿越次數(shù)減少，以及新物體識別能力顯著下降（圖 1F、1G ），雌性小鼠與雄性 SF 小鼠的變化相似。為了評估黑暗周期中 SF 的影響，從晚上 7 點(diǎn)到早上 7 點(diǎn)打開軌道轉(zhuǎn)子。發(fā)現(xiàn)，黑暗周期中的 SF 對葡萄糖代謝、胰島素敏感性或認(rèn)知功能沒有影響。

接下來，檢查了這些小鼠的血漿蛋白質(zhì)組，SF 導(dǎo)致血漿蛋白質(zhì)發(fā)生顯著變化，與 CON 小鼠相比，有 65 種蛋白質(zhì)上調(diào)，35 種蛋白質(zhì)下調(diào)（圖 1H）。GO分析表明，這些蛋白質(zhì)主要與葡萄糖穩(wěn)態(tài)有關(guān)（圖 1I），這表明 SF 破壞了小鼠的葡萄糖代謝。為了評估大腦的葡萄糖攝取量，對 CON 和 SF 小鼠的大腦進(jìn)行了 18F-氟脫氧葡萄糖（FDG）正電子發(fā)射斷層掃描-計(jì)算機(jī)斷層掃描（PET-CT）成像。與 CON 小鼠相比，在 SF 小鼠的下丘腦中觀察到 18F-FDG 的攝取量顯著降低，同時(shí)在海馬體或皮層中也呈現(xiàn)出攝取量下降的趨勢（圖 1J）。腦區(qū)域中由 [U-13C6] 葡萄糖衍生的 13C 的摻入情況分析發(fā)現(xiàn)（圖 1K），與 CON 小鼠相比，SF 小鼠中[U-13C6] 葡萄糖在糖酵解和三羧酸（TCA）循環(huán)中的 13C 摻入量減少，這通過 SF 小鼠中中間產(chǎn)物的減少得到了證實(shí)（圖 1L ）。雖然 CON 和 SF 小鼠在下丘腦、海馬體和皮層中糖酵解酶（己糖激酶 2 [HK2]、丙酮酸激酶 M2 [PKM2]、磷酸果糖激酶 [PFK] 和乳酸脫氫酶 A [LDHA]）和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體（葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體 [GLUT]1、GLUT3）的表達(dá)沒有顯著差異，但在這些腦區(qū)域中檢測到了受損的胰島素信號傳導(dǎo)，表現(xiàn)為哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（p-mTOR）和蛋白激酶 B（p-Akt）的磷酸化減少（圖 1M ）。總體而言，這些結(jié)果表明 SF 破壞了小鼠的葡萄糖穩(wěn)態(tài)和認(rèn)知功能，同時(shí)降低了相關(guān)腦區(qū)域的葡萄糖代謝。

圖1 SF小鼠表現(xiàn)出葡萄糖代謝減少和認(rèn)知障礙

2.SF小鼠體內(nèi)循環(huán)中的乙酸和下丘腦中的乙酸增加

為了進(jìn)一步研究SF小鼠的代謝變化，對SF小鼠和CON小鼠的血漿樣本進(jìn)行了代謝組學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與CON小鼠相比，SF小鼠血漿中有39種代謝產(chǎn)物上調(diào)，7種下調(diào)（圖2A）。值得注意的是，SF小鼠血漿中短鏈脂肪酸（SCFAs）的水平，包括乙酸、丙酸和丁酸，均顯著增加（圖2B）。在差異調(diào)控水平最大的代謝物中，與CON小鼠相比，SF小鼠血漿中的乙酸濃度逐漸升高（圖2C）。乙酸主要由腸道細(xì)菌產(chǎn)生，研究人員檢查了CON小鼠和SF小鼠的腸道菌群組成。在SF誘導(dǎo)后收集盲腸樣本，并進(jìn)行16S rRNA基因測序分析。與CON小鼠相比，SF小鼠的腸道菌群組成發(fā)生了變化。具體而言，對于產(chǎn)乙酸的細(xì)菌，Prevotellaceae、Dubosiella和Desulfovibrio的豐度增加，而Akkermansia、Parasutterella和Lachnospiraceae在屬水平上的豐度減少（圖2D）。此外，SF小鼠和CON小鼠之間的細(xì)菌群落和分類組成也存在差異。通過免疫染色檢查了腸道上皮的完整性和上皮中緊密連接蛋白o(hù)ccludin的表達(dá)。與CON小鼠相比，SF小鼠的腸道上皮形態(tài)發(fā)生了顯著損傷，表現(xiàn)為絨毛長度和寬度減少以及occludin蛋白表達(dá)降低（圖2E-2G）。此外，SF小鼠盲腸和糞便中的乙酸水平顯著降低（圖2H）。這些結(jié)果表明，產(chǎn)乙酸菌群的增加與腸道屏障破壞之間存在潛在關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致SF小鼠循環(huán)中乙酸水平升高。有趣的是，乙酸水平在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的下丘腦中升高，但在海馬體或皮層中并未升高（圖2I）。進(jìn)一步分析顯示，NREM-覺醒轉(zhuǎn)換與下丘腦和循環(huán)中的乙酸水平呈正相關(guān)，這表明SF的程度可能有助于改變乙酸水平。然后，通過碳-13核磁共振（13C-NMR）同位素分析檢查了CON小鼠和SF小鼠大腦中乙酸的氧化（圖2J）。結(jié)果表明，SF小鼠的乙酸氧化減少，隨后的ATP產(chǎn)生也減少（圖2K和2L）。由于乙酸氧化減少，[1,2-13C2]乙酸整合到下丘腦三羧酸循環(huán)中的13C減少（圖2M和2N）。此外，酰基輔酶A（CoA）合成酶短鏈家族成員（ACSS）1，即線粒體中將乙酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A的酶，在下丘腦中降低，但在海馬體或皮層中并未降低（圖2O）。在這些腦區(qū)域中，ACSS2和單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（MCT）水平?jīng)]有顯著變化（圖2O）。這些結(jié)果表明，ACSS1表達(dá)的降低導(dǎo)致下丘腦中乙酸的積累，這可能影響葡萄糖代謝。

圖2 SF小鼠的循環(huán)系統(tǒng)和下丘腦中的乙酸含量增加

3.乙酸改善了SF小鼠的血糖控制、胰島素敏感性和認(rèn)知能力

為了研究乙酸在SF中的功能作用，通過口服方式向SF小鼠（1.0 mg/g/天，每天一次）給藥乙酸14天（圖3A）。乙酸給藥后，血漿乙酸水平在灌胃后約10分鐘達(dá)到峰值。灌胃后30分鐘，乙酸水平在下丘腦中顯著升高，但在海馬體或皮層中未升高。盡管各組之間的體重保持不變，但乙酸給藥降低了SF誘導(dǎo)的攝食量。乙酸灌胃后，運(yùn)動活性沒有變化。接受乙酸補(bǔ)充的SF小鼠表現(xiàn)出改善的葡萄糖代謝，包括改善的葡萄糖耐量和胰島素敏感性（圖3B）。同樣，乙酸逆轉(zhuǎn)了SF引起的認(rèn)知障礙，表現(xiàn)為目標(biāo)象限中穿行距離和時(shí)間的增加以及新物體識別能力的改善（圖3C、3D）。這些結(jié)果共同表明，SF期間的乙酸積累對SF小鼠的代謝功能障礙和認(rèn)知障礙具有保護(hù)作用。此外，在SF期間用廣譜、難吸收的口服抗生素處理成年C57BL/6J雄性小鼠，以抑制乙酸的產(chǎn)生（圖3E）。如預(yù)期那樣，抗生素治療顯著降低了下丘腦、盲腸和血漿中的乙酸水平，而乙酸輸注恢復(fù)了這些水平（圖3F）。雖然向CON小鼠口服廣譜抗生素沒有破壞葡萄糖耐量或損害認(rèn)知功能和胰島素敏感性，但用抗生素治療的SF小鼠表現(xiàn)出葡萄糖代謝和認(rèn)知功能障礙。這表現(xiàn)為葡萄糖不耐受、胰島素抵抗、目標(biāo)象限中穿行距離和時(shí)間的減少以及新物體偏好的降低（圖3G-3I）。這些缺陷通過乙酸補(bǔ)充得到恢復(fù)，證實(shí)了腸道微生物群衍生的乙酸可保護(hù)小鼠免受SF的有害影響。

乙酸腦室內(nèi)給藥，直接研究其對下丘腦的影響（圖3J）。與CON小鼠相比，SF小鼠的下丘腦乙酸濃度升高，并且在接受乙酸給藥的小鼠中進(jìn)一步升高（圖3K）。重要的是，與CON小鼠相比，SF小鼠下丘腦中的炎癥細(xì)胞因子和趨化因子的表達(dá)增加，而乙酸輸注顯著逆轉(zhuǎn)了這種增加（圖3L）。體重未受影響，且乙酸給藥降低了SF誘導(dǎo)的攝食量。此外，下丘腦乙酸輸注改善了SF小鼠的葡萄糖代謝、胰島素信號傳導(dǎo)和認(rèn)知功能（圖3M-3O）。一致地，下丘腦乙酸水平與胰島素抵抗穩(wěn)態(tài)模型評估（HOMA-IR）呈負(fù)相關(guān)，表明乙酸作為葡萄糖和胰島素代謝的強(qiáng)效調(diào)節(jié)劑（圖3P）。隨后，研究人員評估了乙酸對身體成分和關(guān)鍵代謝激素的影響。各組之間的體重保持不變。SF顯著提高了包括皮質(zhì)酮和瘦素在內(nèi)的激素水平，同時(shí)降低了胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）和脂聯(lián)素水平。這些發(fā)現(xiàn)與文獻(xiàn)中報(bào)道的SF小鼠的激素變化相一致。乙酸給藥調(diào)節(jié)了SF小鼠的激素變化，以維持SF條件下的激素穩(wěn)態(tài)。乙酸的中心給藥復(fù)制了外周乙酸對全身激素的調(diào)節(jié)作用，表明乙酸對SF小鼠激素穩(wěn)態(tài)的影響可以在中樞系統(tǒng)中模擬。此外，無論是外周還是中樞給予乙酸，均增加了SF小鼠的GLP-1水平。通過GLP-1受體拮抗劑實(shí)驗(yàn)表明乙酸對SF小鼠葡萄糖穩(wěn)態(tài)和認(rèn)知功能的影響與GLP-1無關(guān)。

圖3 在SF小鼠模型中乙酸輸注可改善血糖控制、胰島素敏感性和認(rèn)知功能

4.Acss1基因缺失逆轉(zhuǎn)了SF誘導(dǎo)的代謝和認(rèn)知功能障礙

乙酸在線粒體中被ACSS1轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A（圖4A）。中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的Acss1表達(dá)僅見于神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，其中星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)水平最高。接下來，測試了通過抑制Acss1來抑制乙酸利用是否會影響乙酸水平及其在SF中的后續(xù)功能作用。利用特異性敲除星形膠質(zhì)細(xì)胞Acss1（條件性敲除[cKO]）的小鼠，這些小鼠是通過刪除小鼠Acss1基因的4-5號外顯子而產(chǎn)生的。野生型（WT）和cKO小鼠均接受14天的SF處理。免疫熒光分析證實(shí)，Acss1 cKO小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中的Acss1被耗盡（圖4B）。值得注意的是，Acss1 cKO增強(qiáng)了大腦中乙酸的積累（圖4C），而循環(huán)中的乙酸水平保持不變。在14天的SF誘導(dǎo)后，與WT小鼠相比，cKO小鼠的每日食物攝入量減少，但兩組之間的體重相當(dāng)。與WT小鼠相比，Acss1 cKO逆轉(zhuǎn)了SF小鼠的代謝缺陷，包括改善葡萄糖耐量、胰島素敏感性和降低HOMA-IR（圖4D）。此外，cKO顯著改善了SF后下丘腦、海馬體和皮層的胰島素信號傳導(dǎo)，表現(xiàn)為p-mTOR和p-Akt水平升高，這表明乙酸在局部葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起著關(guān)鍵作用。與血糖控制改善相一致，cKO小鼠的認(rèn)知能力也有所改善，表現(xiàn)為在目標(biāo)象限中行走的距離和時(shí)間增加，以及新物體識別能力增強(qiáng)（圖4E、4F）。在正常條件下，WT和Acss1 cKO小鼠之間的血漿乙酸水平、葡萄糖代謝和認(rèn)知能力沒有差異。

SF激活的星形膠質(zhì)細(xì)胞主要位于下丘腦的室旁核（PVN）（圖4G），并且SF導(dǎo)致PVN內(nèi)星形膠質(zhì)細(xì)胞中的ACSS1表達(dá)大約減少了50%。然后，研究人員試圖通過向PVN立體定向注射腺相關(guān)病毒（AAV）9-膠質(zhì)纖維酸性蛋白（GFAP）-shAcss1來特異性地抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞中的Acss1（圖4H）。與對照（CON）組相比，Acss1短發(fā)夾RNA（shRNA）顯著降低了星形膠質(zhì)細(xì)胞中的Acss1 mRNA和蛋白水平（圖4I），導(dǎo)致下丘腦乙酸積累。與Acss1 cKO小鼠觀察到的表型相似，Acss1敲低減輕了SF引起的代謝功能障礙和認(rèn)知障礙（圖4J–4L），并且在將SF時(shí)間延長至28天時(shí)，這種保護(hù)作用仍然存在。值得注意的是，通過AAV9-GFAP-shAcss1靶向下丘腦PVN的乙酸代謝干擾始終導(dǎo)致海馬體和皮層葡萄糖代謝增強(qiáng)，這表明僅調(diào)節(jié)PVN中的乙酸水平就足以調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程腦區(qū)域的葡萄糖代謝。這些發(fā)現(xiàn)共同表明，PVN中的乙酸積累對SF的有害影響具有保護(hù)作用。

通過AAV1順行追蹤實(shí)驗(yàn)和膜片鉗實(shí)驗(yàn)（圖4M–4O）發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)PVN星形膠質(zhì)細(xì)胞中的乙酸代謝可以影響SF引起的認(rèn)知變化。在下丘腦PVN星形膠質(zhì)細(xì)胞中過表達(dá)Acss1（Acss1OE）來調(diào)節(jié)乙酸水平，在14天SF期間，Acss1OE對體重或食物攝入量沒有影響。然而，它有效地消除了下丘腦中乙酸隨時(shí)間積累的現(xiàn)象。因此，與對照組相比，在SF的第3天和第7天，Acss1OE小鼠的葡萄糖異常和認(rèn)知障礙加劇，這表明在SF的早期階段增加乙酸可能具有潛在的有益作用。將攜帶shAcss1的AAV9與針對這些細(xì)胞類型的特定啟動子一起注入PVN。在SF條件下，與對照組相比，接受此干預(yù)的小鼠在葡萄糖代謝和認(rèn)知方面沒有顯著改善。這表明星形膠質(zhì)細(xì)胞中的Acss1敲低是調(diào)節(jié)SF引起的葡萄糖代謝和認(rèn)知障礙的主要細(xì)胞機(jī)制。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)共同表明，PVN中的乙酸積累是一種適應(yīng)性反應(yīng)，對SF的不良影響具有保護(hù)作用。

圖4 Acss1 缺失可逆轉(zhuǎn) SF 誘導(dǎo)的代謝和認(rèn)知功能障礙

5.乙酸激活丙酮酸羧化酶促進(jìn)SF小鼠下丘腦的糖酵解和三羧酸循環(huán)

在星形膠質(zhì)細(xì)胞中，葡萄糖主要通過GLUT1被攝取。隨后，葡萄糖可通過糖酵解途徑中的第一個(gè)限速酶HK2轉(zhuǎn)化為葡萄糖-6-磷酸（G-6-P）。由葡萄糖衍生的丙酮酸可進(jìn)一步通過丙酮酸脫氫酶（PDH）轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，或被丙酮酸羧化酶（PC）催化為草酰乙酸（圖5A）。為了了解乙酸在下丘腦星形膠質(zhì)細(xì)胞中的代謝調(diào)節(jié)機(jī)制，從野生型（WT）小鼠的下丘腦中分離出原代星形膠質(zhì)細(xì)胞，并在乙酸存在的情況下用同位素標(biāo)記的葡萄糖（[U-13C6]葡萄糖）處理這些細(xì)胞。乙酸以劑量依賴的方式增加了[U-13C6]葡萄糖的攝取，表明乙酸增強(qiáng)了星形膠質(zhì)細(xì)胞對葡萄糖的攝?。▓D5B）。值得注意的是，這種作用與胰島素?zé)o關(guān)，但可被GLUT1的特異性抑制劑WZB117阻斷（圖5C）。這些結(jié)果表明，乙酸誘導(dǎo)的葡萄糖攝取至少部分是通過GLUT1介導(dǎo)的。此外，乙酸處理還提高了原代下丘腦星形膠質(zhì)細(xì)胞的糖酵解能力，這通過細(xì)胞外酸化速率的增加來證明（圖5D）。與乙酸處理的效果一致，使用慢病毒shRNA敲低Acss1也增加了下丘腦星形膠質(zhì)細(xì)胞對[U-13C6]葡萄糖的攝取。然而，并未在原代星形膠質(zhì)細(xì)胞中觀察到GLUT1、HK2、PC、PDH的蛋白質(zhì)表達(dá)或GLUT1的膜表達(dá)發(fā)生顯著變化。同樣，在SF狀態(tài)下，cKO小鼠和WT小鼠的下丘腦中，這些蛋白質(zhì)的表達(dá)也未見顯著差異。這些發(fā)現(xiàn)表明，乙酸對星形膠質(zhì)細(xì)胞中葡萄糖代謝的影響并非通過改變這些關(guān)鍵代謝酶的表達(dá)水平來介導(dǎo)。有趣的是，在原代星形膠質(zhì)細(xì)胞中，乙酸處理增加了PC、PDH和HK的活性，其中PC對乙酸暴露的反應(yīng)活性最高（圖5E）。同樣，與對照（CON）小鼠相比，在SF狀態(tài)下，cKO和WT小鼠的下丘腦中PC活性也增加。這些結(jié)果表明，乙酸可能調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞中參與葡萄糖代謝的關(guān)鍵酶的活性，特別是PC的活性。

接下來，使用13C標(biāo)記的葡萄糖評估了原代星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的代謝情況（圖5F）。在乙酸處理后，計(jì)算了通過丙酮酸羧化酶（PC，藍(lán)色點(diǎn)）和丙酮酸脫氫酶（PDH，紅色點(diǎn)）將13C摻入三羧酸（TCA）循環(huán)中間產(chǎn)物的比例（圖5F）。與載體組相比，乙酸處理提高了原代下丘腦星形膠質(zhì)細(xì)胞中PC/PDH的比率，表明乙酸增強(qiáng)了PC在葡萄糖代謝中的貢獻(xiàn)（圖5G）。為了進(jìn)一步研究PC和PDH的作用，使用慢病毒遞送短發(fā)夾RNA（shRNA）敲低了星形膠質(zhì)細(xì)胞中PC和PDH的表達(dá)。乙酸處理增加了葡萄糖的攝取及其摻入TCA循環(huán)中間產(chǎn)物的量（圖5H）。這些變化被PC的敲低所阻斷，而PDH的敲低則無此效果，表明乙酸誘導(dǎo)的葡萄糖代謝主要由PC介導(dǎo)（圖5H）。此外，通過U-13C谷氨酸標(biāo)記實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)乙酸對星形膠質(zhì)細(xì)胞谷氨酸代謝的影響微乎其微。

研究人員對完整的人PC結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了混合溶劑分子動力學(xué)（MixMD）模擬，并通過計(jì)算確定了乙酸在PC上的潛在結(jié)合位點(diǎn)（圖5I）。確定了三個(gè)乙酸結(jié)合的高占用熱點(diǎn)，分別標(biāo)記為位點(diǎn)I、II和III（圖5I）。位點(diǎn)I位于鏈C的CT域，位點(diǎn)II和III分別位于鏈B和C的CT域（圖5I）。根據(jù)計(jì)算出的自由能，位點(diǎn)III被預(yù)測為最有利的結(jié)合位點(diǎn)。為了探索這些結(jié)合位點(diǎn)是否介導(dǎo)PC活性，研究人員構(gòu)建了帶有血凝素（HA）標(biāo)簽的PC的一系列缺失突變體。結(jié)果表明，包含782–831aa氨基酸的PC區(qū)域?qū)C活性至關(guān)重要，這是通過PC活性測定檢測到的（圖5J）。這表明PC蛋白的這一特定區(qū)域負(fù)責(zé)其激活，并且其存在對于乙酸在星形膠質(zhì)細(xì)胞中對糖酵解和三羧酸（TCA）循環(huán)的影響是必要的。

為了檢查PC是否介導(dǎo)乙酸在SF小鼠中的認(rèn)知和代謝功能，使用GFAPAAV9在Acss1 cKO小鼠的PVN中的星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)敲低了PC。AAV9-shPC注射3周后，下丘腦中的PC蛋白表達(dá)降低了約50%。在SF誘導(dǎo)后，Acss1 cKO小鼠下丘腦中的PC活性在AAV9-shPC注射后降低。此外，Acss1 cKO小鼠下丘腦中的18F-FDG攝取增加，而PC敲低則逆轉(zhuǎn)了這一現(xiàn)象（圖5K）。一致地，與SF下的cKO小鼠相比，PC敲低損害了葡萄糖代謝、胰島素敏感性和認(rèn)知表現(xiàn)（圖5L–5N）。PC敲低還逆轉(zhuǎn)了cKO小鼠中的激素變化以及p-Akt、p-mTOR、腫瘤壞死因子α（TNF-α）和白細(xì)胞介素-6（IL-6）的表達(dá)（圖5O，5P）。這些發(fā)現(xiàn)與在高糖處理的原代下丘腦星形膠質(zhì)細(xì)胞中PC敲低的觀察結(jié)果一致。盡管己糖激酶2（HK2）在糖酵解中起關(guān)鍵作用，并且可能被乙酸激活（圖5E），但HK2在PVN區(qū)域星形膠質(zhì)細(xì)胞中的特異性過表達(dá)并未影響SF小鼠的認(rèn)知功能或葡萄糖穩(wěn)態(tài)。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明乙酸與PC之間的相互作用調(diào)節(jié)了SF小鼠的葡萄糖穩(wěn)態(tài)和認(rèn)知表現(xiàn)。

圖5 在SF小鼠中乙酸通過增加糖酵解來補(bǔ)充三羧酸循環(huán)

6.乙酸對葡萄糖代謝受損小鼠的治療效果以及乙酸與人類群體葡萄糖穩(wěn)態(tài)之間關(guān)聯(lián)的證據(jù)

在蔗糖異構(gòu)酶缺乏癥患者中已發(fā)現(xiàn)血液乙酸水平升高，這與更健康的代謝狀況相關(guān)，包括較低的體重指數(shù)、減少的脂肪百分比和更低的空腹甘油三酯水平。 同時(shí)，2型糖尿?。═2D）患者的乙酸水平趨于升高，但其代謝影響仍不清楚。為了檢驗(yàn)乙酸在代謝和認(rèn)知功能障礙發(fā)生后是否仍有益處，研究人員在雄性C57BL/6J小鼠中誘導(dǎo)了SF，并額外給予口服乙酸14天（圖6A）。在SF小鼠中，乙酸灌胃后約10分鐘，血漿乙酸水平達(dá)到峰值，且灌胃后30分鐘，乙酸水平在下丘腦中顯著增加，但在海馬體或皮層中則沒有。乙酸輸注改善了SF小鼠的葡萄糖穩(wěn)態(tài)和認(rèn)知功能（圖6B-6D）。這些結(jié)果表明，乙酸可能作為與代謝和認(rèn)知障礙相關(guān)的睡眠-覺醒障礙的一種治療手段。除了SF外，乙酸還改善了高脂飲食（HFD）治療的肥胖小鼠和db/db糖尿病小鼠的葡萄糖代謝和胰島素敏感性。為了研究乙酸與人類葡萄糖穩(wěn)態(tài)之間的相互作用，選擇了被診斷為阻塞性睡眠呼吸暫停（OSA）的患者，這是一個(gè)通常與SF相關(guān)的人群。共招募了25名健康對照（CON）個(gè)體、25名僅患OSA的患者和25名同時(shí)患有OSA和T2D的患者，并進(jìn)行了血漿短鏈脂肪酸（SCFAs）靶向代謝組學(xué)檢測分析。值得注意的是，與CON受試者相比，OSA和T2D患者的血漿乙酸水平顯著升高，而其他SCFAs則保持不變（圖6E）。這些發(fā)現(xiàn)與小鼠中的先前觀察結(jié)果一致，并進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了乙酸與人類葡萄糖穩(wěn)態(tài)之間的關(guān)聯(lián)。通過公共數(shù)據(jù)（GWAS）基因關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)乙酸與血糖相關(guān)表型（包括空腹血糖、空腹血胰島素、HOMA-IR和T2D）之間存在負(fù)遺傳相關(guān)性（圖6F）。

為了進(jìn)一步確認(rèn)乙酸在下丘腦中的功能，研究人員從基因型-組織表達(dá)（GTEx）項(xiàng)目的注釋中確定了五個(gè)具有生產(chǎn)力的下丘腦表達(dá)數(shù)量性狀基因座（eQTLs）-單核苷酸多態(tài)性（SNPs），它們與下丘腦中的Acss1表達(dá)相關(guān)。接下來，使用METAL對五個(gè)顯著SNPs的Acss1-eQTLs進(jìn)行基因分型，以關(guān)聯(lián)從GWAS匯總中檢索到的先前GWAS研究中的信號，然后觀察到與睡眠和葡萄糖代謝相關(guān)的特征之間存在顯著相關(guān)性（p<0.0001）（圖6G）。這些遺傳數(shù)據(jù)表明，Acss1變異不僅與睡眠有關(guān)，還與葡萄糖穩(wěn)態(tài)有關(guān)，這意味著在人類中調(diào)節(jié)由Acss1支持的乙酸代謝在睡眠障礙和葡萄糖代謝受損方面可能會帶來相當(dāng)大的健康益處。

圖6 乙酸改善小鼠的葡萄糖代謝，以及乙酸與人體葡萄糖穩(wěn)態(tài)之間關(guān)聯(lián)的證據(jù)

研究亮點(diǎn)

1.慢性碎片化睡眠（SF）影響小鼠的葡萄糖代謝和認(rèn)知功能；

2.下丘腦中的乙酸水平會適應(yīng)性地升高以應(yīng)對SF；

3.乙酸可減輕SF小鼠的糖代謝紊亂、認(rèn)知障礙和炎癥；

4.乙酸結(jié)合并激活丙酮酸羧化酶，以恢復(fù)下丘腦星形膠質(zhì)細(xì)胞中的糖酵解；

總之，下丘腦中的乙酸結(jié)合并激活丙酮酸羧化酶，從而恢復(fù)下丘腦星形膠質(zhì)細(xì)胞中的糖酵解和三羧酸循環(huán)。這一過程可防止由SF引起的糖代謝紊亂、認(rèn)知障礙和炎癥。

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