Cell Metab |?從燃料到“泄壓閥”：線粒體乳酸調(diào)控氧化還原穩(wěn)態(tài)的新機(jī)制

撰文 | 阿童木

線粒體是細(xì)胞能量代謝的核心樞紐，負(fù)責(zé)將多種碳源轉(zhuǎn)化為ATP。葡萄糖經(jīng)糖酵解在細(xì)胞質(zhì)中生成丙酮酸，而乳酸與部分氨基酸也可通過不同代謝途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸，共同構(gòu)成線粒體氧化代謝的重要底物來源。丙酮酸進(jìn)入線粒體基質(zhì)后，經(jīng)丙酮酸脫氫酶復(fù)合體轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A，進(jìn)入三羧酸循環(huán)（TCA循環(huán)）被逐步氧化為CO2，并伴隨生成還原當(dāng)量NADH和FADH?。這些高能電子載體將電子輸送至電子傳遞鏈，驅(qū)動(dòng)質(zhì)子跨內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)，建立跨膜電化學(xué)梯度，最終通過氧化磷酸化合成ATP【1】。

乳酸傳統(tǒng)上被視為糖酵解的“終產(chǎn)物”，由乳酸脫氫酶（LDH）催化丙酮酸還原生成，并通過單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在細(xì)胞與組織間循環(huán)，實(shí)現(xiàn)碳源與還原力的再分配【2】。然而，近年來越來越多的研究表明，乳酸不僅是代謝中間體，還是重要的信號分子，可通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)氧化還原狀態(tài)、激活G蛋白偶聯(lián)受體以及參與蛋白質(zhì)乳酰化等翻譯后修飾過程，廣泛影響細(xì)胞功能【2】。

在此基礎(chǔ)上，“細(xì)胞內(nèi)乳酸穿梭”模型進(jìn)一步提出，乳酸可直接進(jìn)入線粒體并被氧化利用，從而在細(xì)胞不同區(qū)室之間實(shí)現(xiàn)碳流與能量的耦聯(lián)【3】。然而，這一模型始終存在爭議【2】。一方面，部分研究支持線粒體內(nèi)存在乳酸氧化機(jī)制；另一方面，也有證據(jù)認(rèn)為乳酸必須在胞質(zhì)中先轉(zhuǎn)化為丙酮酸后方可被線粒體利用。這一分歧在一定程度上反映了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法的局限性。因此，一個(gè)關(guān)鍵問題始終亟待解決：乳酸究竟是線粒體的直接燃料，還是一種被細(xì)胞主動(dòng)調(diào)控的代謝產(chǎn)物？

近日，智利科學(xué)研究中心（CECs）的L. Felipe Barros與Pamela Y. Sandoval實(shí)驗(yàn)室等在Cell Metabolism雜志發(fā)表了題為Mitochondrial lactate venting limits oxidative stress的研究文章，提出哺乳動(dòng)物線粒體并不利用乳酸供能，反而通過基質(zhì)內(nèi)LDH將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸，并通過依賴MPC參與的轉(zhuǎn)運(yùn)通路將其外排。在高還原狀態(tài)或低氧條件下，這一過程顯著增強(qiáng)，通過再生NAD?、降低還原當(dāng)量積累，從而緩解電子傳遞鏈壓力并抑制活性氧（ROS）產(chǎn)生。基于此，作者提出“乳酸泄壓閥（lactate vent）”模型，將乳酸重新定義為調(diào)控線粒體氧化還原穩(wěn)態(tài)（NADH/NAD?平衡與ROS水平）的關(guān)鍵分子。

研究首先利用基因編碼的乳酸熒光傳感器，在多種細(xì)胞類型中直接檢測到線粒體基質(zhì)內(nèi)存在穩(wěn)態(tài)的乳酸庫存，其濃度約為0.6至1.5 mM。該乳酸庫能夠在數(shù)秒內(nèi)響應(yīng)細(xì)胞外乳酸或葡萄糖濃度變化，并與胞質(zhì)乳酸水平保持同步。這一結(jié)果表明，線粒體并非乳酸隔絕區(qū)，而是與胞質(zhì)之間存在快速交換的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步顯示，小鼠皮層神經(jīng)元線粒體中的乳酸水平可隨血乳酸的生理波動(dòng)同步改變，提示該過程具有生理相關(guān)性。

在確認(rèn)線粒體內(nèi)存在乳酸池后，作者進(jìn)一步解析其來源與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。通過透化質(zhì)膜的方法直接研究線粒體，作者發(fā)現(xiàn)乳酸攝取呈典型的飽和動(dòng)力學(xué)特征，并存在反式加速現(xiàn)象，提示其依賴特定載體介導(dǎo)。藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示，抑制質(zhì)膜單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對線粒體乳酸攝取影響有限，而線粒體丙酮酸載體抑制劑UK5099則顯著抑制該過程。進(jìn)一步的遺傳學(xué)證據(jù)表明，MPC2缺失可使乳酸攝取降低約一半，說明MPC在乳酸跨線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程中發(fā)揮重要作用。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)揭示，線粒體不僅能夠攝取乳酸，還具備生成乳酸的能力。在高濃度丙酮酸存在條件下，線粒體基質(zhì)內(nèi)可產(chǎn)生乳酸，這一過程在MPC缺失時(shí)顯著受阻。該結(jié)果提示，線粒體基質(zhì)中存在功能性LDH活性，可催化丙酮酸向乳酸的轉(zhuǎn)化，構(gòu)成一個(gè)此前未被充分認(rèn)識(shí)的代謝通路。

然而，盡管線粒體能夠攝取并生成乳酸，關(guān)鍵問題在于乳酸是否能夠作為氧化底物驅(qū)動(dòng)呼吸。通過監(jiān)測NADH/FAD自發(fā)熒光變化以及基質(zhì)pH（電子傳遞鏈活性的指標(biāo)），研究發(fā)現(xiàn)丙酮酸或谷氨酸/蘋果酸可迅速激活電子傳遞鏈，而乳酸在相同條件下均未引起任何可檢測的變化。在HEK293細(xì)胞及神經(jīng)元中，無論線粒體處于何種能量狀態(tài)，乳酸均無法有效驅(qū)動(dòng)呼吸鏈活性。這一結(jié)果直接否定了乳酸作為線粒體燃料的功能假設(shè)。

在此基礎(chǔ)上，作者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向乳酸生成的功能意義。多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，無論在透化細(xì)胞體系還是分離線粒體中，在底物存在條件下均可觀察到乳酸向胞外釋放。胞外乳酸傳感器進(jìn)一步證實(shí)，在能量化神經(jīng)元中，丙酮酸刺激可誘導(dǎo)乳酸釋放。與此同時(shí)，阻斷MPC會(huì)導(dǎo)致線粒體基質(zhì)乳酸積累，并伴隨過氧化氫水平顯著升高。這一現(xiàn)象在輕度缺氧條件下更為明顯，而缺氧本身也可促進(jìn)線粒體乳酸生成。

從機(jī)制上看，丙酮酸向乳酸的轉(zhuǎn)化過程伴隨著NADH被氧化為NAD?。因此，當(dāng)線粒體處于高NADH/NAD?比或電子傳遞鏈?zhǔn)芟薜臓顟B(tài)時(shí)，通過將丙酮酸還原為乳酸并外排，可以有效再生NAD?，減少還原當(dāng)量在電子傳遞鏈中的積累，從而降低電子泄漏并抑制ROS生成。在這一框架下，乳酸不再是單純的代謝副產(chǎn)物，而成為一種用于調(diào)節(jié)線粒體氧化還原平衡的關(guān)鍵“緩沖器”。

基于上述結(jié)果，作者提出“乳酸泄壓閥”模型：在線粒體處于高還原壓力或低氧環(huán)境時(shí)，基質(zhì)內(nèi)LDH將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸，并通過依賴MPC的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制將其輸出，從而快速降低NADH水平并緩解氧化壓力。與傳統(tǒng)通過解偶聯(lián)蛋白耗散能量的機(jī)制不同，這一過程不依賴氧氣，也不會(huì)以熱量形式消耗能量，而是以乳酸形式實(shí)現(xiàn)還原當(dāng)量的轉(zhuǎn)移與再分配。

綜上所述，本研究重塑了乳酸在線粒體代謝中的角色，證明了乳酸并非線粒體的燃料，而是一種在代謝壓力下被主動(dòng)生成并輸出的調(diào)節(jié)性產(chǎn)物。通過建立LDH–MPC耦聯(lián)的乳酸外排通路，細(xì)胞能夠在維持能量代謝的同時(shí)有效控制氧化應(yīng)激。這一發(fā)現(xiàn)不僅為理解細(xì)胞如何應(yīng)對低氧與代謝失衡提供了新的理論框架，也為腫瘤代謝、神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及免疫代謝等領(lǐng)域的研究提供了重要啟示。

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2026.02.020

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1. Martínez-Reyes I, Chandel N S. (2020) Mitochondrial TCA cycle metabolites control physiology and disease.Nat. Comm., 11(1): 102.

2. Glancy, B., et al. (2021). Mitochondrial lactate metabolism: history and implications for exercise and disease.J. Physiol.599, 863–888.

3. Brooks, G.A. (2018). The science and translation of lactate shuttle theory.Cell Metab. 27, 757–785.

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