突触可塑性受损是阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease，AD）认知损害的重要机制之一，而细胞核内受乙酰辅酶A池控制的组蛋白乙酰化在调控神经元的突触可塑性中发挥关键作用。研究报道乙酰辅酶A合成酶2（Acetyl-CoA synthetase 2，ACSS2）既可利用肠道来源的短链脂肪酸-乙酸生成乙酰辅酶A、也可促进组蛋白赖氨酸残基间乙酸盐的直接转移，促进组蛋白乙酰化介导的学习记忆相关基因的转录诱导。但ACSS2及底物乙酸是否参与AD脑内组蛋白乙酰化介导的突触可塑性的调控尚不清楚。

2023年7月12日，福建医科大学附属协和医院神经内科陈晓春/张静教授团队在国际知名学术期刊《分子神经退行性疾病》（Molecular Neurodegeneration，MN）上在线发表了题为“ACSS2-dependent histone acetylation improves cognition in mouse model of Alzheimer’s disease”的研究论文。福建医科大学2022届博士研究生林颖彬、2021级博士研究生林安澜及蔡莉莉为本论文共同第一作者。福建医科大学附属协和医院陈晓春教授与张静教授为本论文共同通讯作者。该研究阐述了ACSS2介导的组蛋白乙酰化在AD认知损害中的作用，提出了靶向调控ACSS2表达或补充ACSS2底物——乙酸盐作为AD治疗的潜在策略。

为了明确AD背景下ACSS2的变化，研究者首先检测了5×FAD小鼠脑内ACSS2水平的月龄依赖性变化，结果显示与年龄匹配的野生型（Wildtype，WT）小鼠相比，8-10月龄5×FAD小鼠的海马和前额叶皮质中ACSS2的表达明显下降（图1A）；免疫荧光显示5×FAD小鼠海马CA1区锥体细胞表达ACSS2水平显著降低（图1B）；AD患者尸检脑组织颞叶皮质中ACSS2蛋白水平明显低于对照组（图1C）。在哺乳动物中ACSS2分布于细胞浆和细胞核，与同龄WT小鼠相比，10月龄5×FAD组小鼠海马胞核ACSS2显著减少 (图1D)。由于ACSS2是一种催化乙酸生成乙酰辅酶A的关键酶，发现10月龄5×FAD小鼠海马全细胞、胞浆和细胞核裂解物中的乙酰辅酶A水平显著低于WT小鼠（图1E）。由于组蛋白乙酰化受细胞核中乙酰辅酶A动态平衡调控，研究者对5×FAD小鼠海马中与学习和记忆相关的组蛋白乙酰化(ac-H3K9、ac-H3K27和ac-H4K12)进行检测，结果显示10月龄5×FAD小鼠ac-H3K9和ac-H4K12水平明显降低（图1F）；免疫荧光显示5×FAD小鼠CA1区锥体神经元ac-H4K12荧光丰度明显减低（图1G）。以上结果表明，AD患者和5×FAD小鼠脑内ACSS2的表达显著降低，而且ACSS2的降低伴随着乙酰辅酶A和组蛋白乙酰化水平的下调。

图1. 5×FAD小鼠和AD患者认知相关脑区ACSS2表达和组蛋白乙酰化水平降低

为了明确上调ACSS2是否能改善5×FAD小鼠的认知损害，研究者将过表达ACSS2的腺相关病毒注射到8月龄5×FAD小鼠的背侧海马区（图2A）。免疫印迹和免疫荧光分析表明，ACSS2在5×FAD和WT小鼠过表达组中均明显上调（图2B、C）。水迷宫结果显示：在前5天的训练期间FAD-ACSS2组的学习曲线明显优于FAD-GFP组（图2D）；在第6天测试期，FAD-ACSS2组的穿越平台次数及平台所在靶象限时间百分比均明显高于FAD-GFP组（图2E，F）；而游泳速度无显著差异（图2G）。综上所述，上调海马区ACSS2水平明显改善5×FAD小鼠的空间记忆能力。

图2 上调海马ACSS2水平改善5×FAD小鼠的认知功能

为了揭示ACSS2改善AD小鼠认知功能的分子机制，研究者首先对WT-GFP、FAD-GFP和FAD-ACSS2小鼠的背侧海马组织进行了转录组学分析，发现过表达ACSS2明显上调5×FAD小鼠谷氨酸能突触通路。因此，研究者重点关注NMDAR亚基（Grin1/2a/2b）和AMPAR亚基（Gria1/2/3）的表达情况。结果显示，与WT小鼠相比，5×FAD小鼠Grin1及Gria1等基因的mRNA和蛋白水平显著降低，而上调ACSS2可以改善这一现象（图3A和3B），并发现上调ACSS2表达显著提高了ac-H3K9和ac-H4K12水平（图3B），但不影响乙酰辅酶A的水平（图3C）。进一步对背侧海马组织进行ChIP-qPCR分析发现，5×FAD小鼠Grin1及Gria1等基因启动子区ac-H3K9占比明显下降，而上调ACSS2可使ac-H3K9占比上升或呈上升趋势（图3D），上述基因启动子区ac-H4K12水平呈类似的变化（图3D）。这些结果表明，ACSS2上调促进启动子上的乙酰化组蛋白富集，从而增强了5×FAD小鼠NMDA受体和AMPA受体的转录。最后，研究者对小鼠海马脑片的CA1锥体细胞进行全细胞记录，发现5×FAD小鼠mEPSC的幅度和频率均显著低于 WT 组，而ACSS2过表达明显提高5×FAD 小鼠mEPSC的振幅（图3F）；进一步对CA1区进行LTP记录，发现5×FAD小鼠场兴奋性突触后电位（fEPSP）明显受损，而上调ACSS2可挽救受损的fEPSP（图3G）。综上所述，上调ACSS2通过组蛋白乙酰化（H3K9和H4K12）介导NMDAR和AMPAR的表达，从而改善5×FAD小鼠的突触可塑性（图3H）。

图3. 上调ACSS2通过组蛋白乙酰化介导的谷氨酸受体表达改善5×FAD小鼠突触可塑性

为了探讨补充ACSS2底物（乙酸盐）是否具备与上调ACSS2类似的抵抗AD认知损伤作用，我们给8月龄5×FAD和WT小鼠每天灌胃补充FDA批准的食品添加剂三乙酸甘油酯（GTA，2g/kg/d），持续1个月。结果显示，与FAD-Veh小鼠相比，FAD-GTA小鼠的ac-H3K9/H3和ac-H4K12/H4水平均显著升高，但ACSS2蛋白水平不受影响（图4A）。与上调ACSS2不同的是，补充GTA明显增加小鼠海马乙酰辅酶A含量（图4B）。这些结果表明，补充GTA可通过提高5×FAD小鼠的乙酰辅酶A水平来上调组蛋白的乙酰化水平。紧接着，研究者通过ChIP-qPCR证实补充GTA促进5×FAD小鼠谷氨酸受体亚基启动子区乙酰化组蛋白富集，并上调谷氨酸受体亚基的表达（图4C、D、E）。进一步的电生理显示补充乙酸盐显著提高了5×FAD小鼠的LTP（图4F）。最后，研究者对小鼠进行了水迷宫测试，与FAD-Veh小鼠相比，FAD-GTA小鼠在训练期（第1-5天）和测试期（第6天）时到达平台所需的时间明显减少（图4G）、穿越平台次数及平台所在靶象限时间百分比均明显升高（图4H、I），提示补充乙酸盐明显改善5×FAD小鼠的空间学习记忆能力。以上结果表明，补充ACSS2底物促进5×FAD小鼠谷氨酸受体亚基启动子区乙酰化组蛋白富集，上调谷氨酸受体亚基的表达，改善5×FAD小鼠的认知功能。

图4 补充ACSS2底物通过组蛋白乙酰化介导的谷氨酸受体上调改善5×FAD小鼠的突触可塑性和认知功能。

该团队研究发现AD患者的颞叶皮层和AD模型小鼠的皮层及海马中均存在ACSS2表达降低。ACSS2通过组蛋白乙酰化（H3K9，H4K12）介导的谷氨酸受体亚基的表达进而调控兴奋性突触传递，该作用不仅对维持正常空间记忆能力至关重要，也参与了AD鼠的空间记忆能力的受损；更为重要的是，研究者发现补充ACSS2底物——乙酸盐上调5×FAD小鼠的组蛋白乙酰化（H3K9、H4K12）水平，使得NMDARs和AMPARs表达增加，并以ACSS2依赖的方式恢复突触可塑性和认知功能。以上工作揭示了ACSS2介导的组蛋白乙酰化在AD认知受损中的作用，提出了靶向调控ACSS2表达或补充乙酸作为AD治疗的潜在策略（图5）。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1186/s13024-023-00625-4

通讯作者简介：

陈晓春， 医学博士，福建医科大学附属协和医院神经内科教授、主任医师、博士生导师；目前兼任中国医师协会常务理事、神经内科医师分会候任会长；中华医学会理事、老年医学分会常委、神经病学分会痴呆与认知障碍学组组长；福建省医师协会会长；《中华神经科杂志》副主编。长期从事老年神经变性疾病临床诊疗与基础研究，特别是在阿尔茨海默病和帕金森病发病机制与防治领域做了一些有特色的创新工作。作为课题负责人先后承担了国家重点研发计划、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等20多项国家级课题。在Neuron、Mol Neurodegeneration、Neurobiol Aging、Glia、J Alzheimer Dis等SCI源学术期刊上发表高质量论文40多篇。主持完成的科研成果有1项获教育部自然科学国家一等奖、1项获江苏省科学技术奖一等奖、4项获福建省科学技术奖二等奖、2项获福建省医学科技进步奖一等奖、2项获中华医学科技奖三等奖。

张 静， 医学博士，福建医科大学神经科学研究院教授、博士生导师。曾前往美国国立卫生研究院衰老研究所访问学习。主要从事老年性痴呆和抑郁症的发病机制和药物防治的研究工作。近年来，先后承担国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目1项、面上项目2项、青年项目1项，及福建省重大研究专项等科研课题近20项。以第一作者或和通讯作者在Mol Neurodegener、Biological Psychiatry、Aging Cell、Transl Psychiatry、FASEB J等国际学术期刊上发表SCI论文20余篇，其中JCR一区5篇，JCR二区12篇，并获得中华医学科技三等奖1项、福建省科学技术二等奖2 项、及福建省医学科技一等奖2 项。