β-羟基丁酸可作为大脑中蛋白质稳态的代谢调节剂

分享一篇发表在Cell Chemical Biology上的文章“β-hydroxybutyrate is a metabolic regulator of proteostasis in the aged and Alzheimer disease brain”，通讯作者是来自加州大学旧金山分校的John Newman教授，他的主要研究方向是了解细胞调节衰老的途径及开发老年疾病的干预疗法。

酮体是一类由肝脏生产的、脂质衍生的小分子代谢物，包括丙酮、乙酰乙酸和（R）-β-羟基丁酸（R-βHB）等。酮体可以在生物体内葡萄糖可用率低的情况下作为高能底物功能。此外，此前的文献和临床数据还发现，非致肥胖生酮饮食可延长小鼠模型的寿命并缓解老年阿尔兹海默症症状，且已经有初步证据表明酮体对蛋白质稳态有影响。在本文中，作者首次确定了 βHB及其结构类似的代谢物可以与蛋白质直接相互作用，且在蛋白质组学分析中发现βHB靶标中神经退行性变相关蛋白有显著富集。

作者首先在纯蛋白系统上进行实验，选用了牛血清白蛋白（BSA）作为模型，并用可以保持稳定pH的缓冲液避免酸性小分子改变环境酸碱性而对蛋白性质产生影响。BSA的结构可以通过加热条件诱导其错误折叠，当R-βHB与BSA共孵育后分为天然折叠状态（37℃）和热诱导错误折叠状态（70℃），后者的不溶组分比例相比于无小分子处理的对照显著升高，说明R-βHB可以选择性地结合错误折叠蛋白并降低其溶解性，且该纯蛋白实验也说明R-βHB对蛋白质的影响很可能是通过非共价相互作用而非翻译后修饰实现。

随后，作者尝试探究R-βHB诱导蛋白质不溶性的结构原理，作者使用硫黄素T来监测来自小鼠脑组织中可溶性胞质蛋白的β折叠含量，裂解液与R-βHB（浓度梯度1-10 mM）孵育后，随着浓度升高，β折叠含量显著降低，这与在体外不溶化试验中显示的不溶化增加一致。且R-βHB与β淀粉样蛋白共孵育时，可以抑制其聚集并降低寡聚体的细胞毒性。在线虫模型上，也可观察到R-βHB减少β淀粉样蛋白造成的麻痹。这些结果暗示着R-βHB 能够直接改变靶向不溶蛋白的构象，通过减少与神经退行性疾病相关的β折叠总量来诱导大脑中蛋白质结构变化，在蛋白质稳态中具有积极作用。

接下来，作者试图在蛋白质组水平分析R-βHB的靶标。作者使用被小肠吸收后可以在肝脏中被快速代谢成酮体的双己酰（R）-1,3-丁二醇（BH-BD）饲养小鼠模型。实验首先证实了BH-BD口服BH-BD可以在老年小鼠中产生不溶蛋白质组，与R-βHB体外共孵育实验有一致的效果。随后，作者收集小鼠大脑蛋白质组，并采用梯度裂解提取的方法，逐步提高表面活性剂裂解强度来溶解不可溶蛋白组分，并分别鉴定分析。结果中发现，中等不溶性组分（F2 和 F3）中神经退行性疾病相关蛋白靶标的不溶性增加，以及最不溶性组分（F4）中聚集体的清除率增加。结果中还看到蛋白酶体相关蛋白在F2和F3蛋白中显著富集，这与在 F4 中观察到的神经退行性疾病相关蛋白质的清除是一致的。