乳酸通过靶向GluN2B亚基的细胞内氧化还原机制增强NMDA受体电流：对突触可塑性的启示

《The Journal of Physiology》：Lactate potentiates NMDA receptor currents via an intracellular redox mechanism targeting GluN2B subunits: implications for synaptic plasticity

这篇研究揭示了星形胶质细胞产生的乳酸（Lactate）不仅是神经元的重要能量底物，更是一种关键的信号分子。研究发现，乳酸通过单羧酸转运体进入神经元，并在乳酸脱氢酶作用下转化为丙酮酸，伴随产生NADH，从而改变细胞内的氧化还原状态。这一过程增强了含GluN2B亚基的NMDA受体电流，其机制依赖于钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）的活性以及CaMKII与GluN2B之间的相互作用，特别是GluN2B胞内C端结构域中两个对氧化还原敏感的含半胱氨酸序列的关键作用。这项工作阐明了乳酸连接大脑能量代谢与突触功能调控的分子通路，为理解学习记忆的细胞机制提供了新视角。

　　

乳酸增强NMDA受体电流的振幅和衰减时间常数

乳酸对神经元功能和可塑性的调节作用已得到广泛认识，但其分子机制尚不完全清楚。本研究通过在培养的皮层神经元中进行膜片钳记录，发现乳酸能显著增强NMDA受体电流，具体表现为电流幅值的增加和衰减时间常数的延长。这种增强效应是快速的，在乳酸处理5分钟内达到稳定，并在洗脱后恢复到基线水平。进一步的剂量-效应关系研究表明，即使在生理相关浓度范围内，乳酸也能产生显著的增强作用，且效应呈浓度依赖性，在10 mM时达到最大。

GluN2B亚基是乳酸特异性增强NMDA受体功能的关键，该过程需要细胞摄取和LDH活性

NMDA受体是由不同亚基组成的异四聚体。在皮层神经元中，GluN2B是发育期的主要亚基。研究发现，使用特异性抑制剂ifenprodil阻断含GluN2B亚基的NMDA受体后，乳酸对NMDA电流的增强作用被完全消除，而阻断GluN2A的PEAQX则无此效果，这证实了乳酸的作用特异性靶向含GluN2B亚基的受体。此外，研究排除了乳酸通过其特异性G蛋白偶联受体HCAR1起作用的可能性，因为HCAR1激动剂3,5-DHBA和3Cl-HBA不能模拟乳酸的效果。相反，乳酸的作用依赖于其通过单羧酸转运体进入神经元，并需要乳酸脱氢酶将其代谢为丙酮酸，同时产生NADH。使用MCT抑制剂AR-C155858或LDH抑制剂oxamate/stiripentol均能阻断乳酸对电流幅值的增强作用，但对衰减时间的延长影响较小，提示乳酸对电流幅值和衰减时间的影响可能涉及不同的机制。

Ca²⁺信号对乳酸诱导的I_NMDAR调节至关重要

胞内氧化还原状态的改变可影响钙信号。研究发现，使用钙螯合剂BAPTA处理神经元，可剂量依赖性地削弱乳酸对NMDA电流的增强作用，表明胞内Ca²⁺水平的升高是必需的。进一步探究钙源发现，兰尼碱受体抑制剂dantrolene和ryanodine能显著减弱乳酸的效应，而L型电压门控钙通道抑制剂nisoldipine和IP₃受体调节剂2-APB则无影响，这说明内质网钙库通过兰尼碱受体释放Ca²⁺在这一过程中扮演关键角色。更重要的是，Ca²⁺/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II被证明是乳酸效应的核心介质。在膜片钳记录和钙成像实验中，使用CaMKII特异性多肽抑制剂AIP-2或CN21（而非其乱序对照）处理，能完全阻断乳酸对NMDA电流幅值及钙信号的增强。

乳酸通过CaMKII和GluN2B的相互作用在HEK细胞中增强NMDA受体功能

为了在更简化的系统中验证机制，研究利用了不表达CaMKIIα和NMDA受体亚基的HEK 293T细胞。研究发现，仅在稳定表达CaMKIIα的HEK细胞中瞬时转染GluN1和GluN2B亚基时，乳酸才能有效增强NMDA受体电流的幅值，而在仅表达受体亚基的细胞中则无效，这直接证明了CaMKII的必要性。进一步构建两个破坏CaMKII结合的GluN2B点突变体（L1298A/R1300Q 和 R1300Q/S1303D）进行实验，结果显示，乳酸无法再增强这些突变受体介导的电流，表明CaMKII与GluN2B的直接物理结合是乳酸发挥调节作用的结构基础。

乳酸通过改变细胞内氧化还原状态增强NMDA受体电流的分子机制

经典的NMDA受体氧化还原调节涉及胞外半胱氨酸残基。本研究发现，胞外应用还原剂DTT可增强NMDA电流，但其效应与乳酸具有叠加性而非相互拮抗，说明二者机制不同。相反，通过膜片钳电极向胞内注入氧化剂DTNB，则可完全阻断乳酸的效应，提示乳酸通过胞内氧化还原机制起作用。研究人员聚焦于GluN2B亚基富含半胱氨酸、具有内在无序特性的胞内C端结构域，通过生物信息学预测发现了两个对氧化还原状态敏感的含半胱氨酸序列。在HEK细胞模型中，将这两个序列中的半胱氨酸定点突变为丝氨酸，构建“氧化还原不敏感”的GluN2B突变体（Δredox 1-CTD 和 Δredox 2-CTD）。实验发现，乳酸对这两种突变受体电流的增强作用被显著削弱。这些结果证实，GluN2B胞内C端这两个氧化还原敏感位点是乳酸发挥调节作用的关键靶点。

乳酸增强CaMKIIα-GluN2B结合并促进CaMKII依赖的GluN2B-PSD-95簇集

在更接近生理状态的培养皮层神经元中，研究人员进一步探讨了乳酸对突触水平蛋白相互作用的影响。免疫共沉淀实验显示，乳酸处理能特异性增强从神经元突触体组分中共沉淀的CaMKIIα与GluN2B的结合，而丙酮酸处理效果较弱，且乳酸不改变总蛋白或磷酸化蛋白水平。邻近连接分析实验提供了更直接的形态学证据：与丙酮酸处理相比，乳酸处理能显著增加神经元树突上GluN2B与突触后致密物标记蛋白PSD-95之间的相互作用信号点（PLA簇）数量。更重要的是，这种乳酸诱导的PLA簇增加可被CaMKII抑制剂myr-AIP-2完全阻断。这些结果表明，乳酸信号通过CaMKII促进了含GluN2B亚基的NMDA受体在突触部位的募集和稳定，这可能直接加强了突触传递和可塑性。

综上所述，本研究阐明了一条清晰的分子通路：星形胶质细胞来源的乳酸通过MCT进入神经元，经LDH代谢产生NADH，改变胞内氧化还原状态；这一变化增强了CaMKII与GluN2B亚基之间的相互作用，该过程依赖于GluN2B胞内C端特定位点的氧化还原敏感性；最终，这种增强的结合促进了GluN2B在突触的定位，放大了NMDA受体电流，从而将大脑的能量代谢与调控学习记忆的关键突触机制紧密联系起来。