FSH的“代谢魔法”：乳酸化修饰让糖酵解“指挥”线粒体生物发生

 研究背景

卵泡刺**（FSH）是驱动卵泡发育的关键***信号，虽已知其能促进颗粒细胞（GCs）的糖酵解和乳酸生成，但糖酵解通量如何与线粒体生物发生相偶联的机制尚不清楚。近年来，乳酸被重新认识为一种生物活性代谢物，可通过组蛋白乳酸化修饰将细胞代谢状态与染色质结构和基因调控联系起来。然而，这种代谢-表观遗传调控机制是否在FSH介导的卵泡发育生理过程中发挥作用，特别是如何协调线粒体生物发生以满足卵泡生长的能量需求，仍是未解之谜。

 研究结果

2.1 FSH诱导的线粒体生物发生伴随卵巢颗粒细胞中H4K5la升高

研究人员通过腹腔注射FSH评估其对小鼠卵巢颗粒细胞（mGCs）线粒体生物发生的影响。结果显示，FSH刺激增加了mGCs中线粒体DNA编码的细胞色素c氧化酶II（MT-CO2）基因和mtDNA D-loop区域的拷贝数，线粒体标志物TOM20水平升高。透射电镜进一步显示FSH显著增加mGCs中线粒体数量，同时保持超微结构完整性，包括膜形态和嵴组织，线粒体体积也增加，提示FSH暴露后线粒体融合增强。FSH处理还显著上调线粒体融合蛋白MFN1、MFN2和OPA1表达，而裂变蛋白DRP1及其Ser616磷酸化水平降低，Ser637磷酸化增加，表明线粒体裂变受抑制。FSH处理还显著提高了mGCs中ATP水平。由于FSH在卵泡发育过程中增加糖酵解导致乳酸升高，研究人员评估了乳酸是否促进FSH介导的线粒体生物发生。FSH注射后，mGCs表现出显著增加的葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）表达和乳酸水平。免疫组织化学显示FSH处理后卵巢组织中乳酸化显著增加，主要定位于mGCs。质谱分析鉴定出组蛋白H4第5位赖氨酸（H4K5）的乳酸化，免疫组织化学染色显示H4K5la在颗粒细胞中特异性富集，而卵母细胞和膜细胞信号极弱。这些发现表明乳酸衍生的H4K5la可能作为FSH诱导的mGCs线粒体生物发生的表观遗传介质。

2.2 抑制乳酸产生/H4K5la抑制FSH诱导的颗粒细胞线粒体生物发生

为确定FSH是否通过乳酸/组蛋白乳酸化途径促进线粒体生物发生，研究人员在KGN细胞中测量了FSH处理后的细胞外酸化率（ECAR）。FSH显著增加ECAR，表明糖酵解活性增强。为调节细胞内组蛋白乳酸化，研究人员采用两种互补方法：（a）使用2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）和草氨酸盐药理学抑制糖酵解通量以抑制乳酸产生；（b）siRNA介导的乳酸脱氢酶A（LDHA）和LDHB敲低。两种抑制剂处理均有效降低mGCs中细胞内乳酸水平，并显著降低FSH刺激的mGCs和KGN细胞中的全局蛋白乳酸化和H4K5la水平。免疫荧光显示2-DG和草氨酸盐有效抑制FSH刺激的KGN细胞中H4K5la。组蛋白乳酸化降低显著损害了FSH诱导的颗粒细胞线粒体生物发生，表现为线粒体DNA拷贝数、TOM20蛋白丰度和MitoTracker Green荧光减少。考虑到2-DG和草氨酸盐的潜在脱靶效应，研究人员通过遗传耗竭LDHA/B来特异性调节乳酸依赖性组蛋白乳酸化。双重LDHA/B沉默显著降低细胞内乳酸生成、全局蛋白乳酸化和H4K5la。免疫荧光分析证实LDHA/B敲低后FSH刺激的H4K5la受损。相应干预抑制了FSH诱导的线粒体生物发生，表现为线粒体DNA拷贝数减少、TOM20表达降低和MitoTracker Green染色减弱。为评估乳酸补充是否能挽救这一表型，研究人员用乳酸钠处理LDHA/B耗竭的KGN细胞。外源性乳酸显著恢复了FSH刺激细胞中的H4K5la和线粒体生物发生。此外，FSH处理显著增强KGN细胞的氧消耗率（OCR），而抑制乳酸产生减弱了这一效应，乳酸补充完全挽救了OCR。类似地，LDHA/B敲低降低了FSH刺激的ATP产生，乳酸钠可恢复。使用JC-1荧光探针实时监测线粒体膜电位（ΔΨm）发现，FSH处理显著增加红色荧光（J-聚集体，表示超极化）同时降低绿色荧光（JC-1单体，表示去极化）。重要的是，药理学抑制乳酸产生显著减弱FSH诱导的ΔΨm升高，而乳酸钠补充完全挽救了这一超极化效应。为确定FSH是否通过抑制线粒体自噬增强线粒体含量，研究人员评估了线粒体自噬标志物。在FSH处理的KGN细胞中，PINK1/Parkin和LC3-II表达增加，而p62表达降低，与激活的线粒体自噬通量一致。FSH处理后线粒体-溶酶体共定位也增加。这些结果共同表明FSH通过乳酸/组蛋白乳酸化途径而非抑制线粒体自噬促进颗粒细胞线粒体生物发生。

2.3 FSH通过P300/CBP催化的H4K5la促进线粒体生物发生

为鉴定负责H4K5la的酶，研究人员使用siRNA方法在KGN细胞中沉默候选酰基转移酶。P300及其同源物CBP的敲低降低了H4K5la，鉴定P300/CBP为与该乳酸化特征相关的关键乳酸转移酶。研究人员接下来使用C646（特异性P300/CBP拮抗剂）抑制该复合物。如预期，C646处理有效抑制FSH处理的mGCs和KGN细胞中的全局乳酸化和H4K5la。由于P300/CBP也可通过作为写入蛋白催化乙酰化，研究人员评估了FSH处理的KGN细胞中的乙酰化水平。然而未观察到显著变化，且C646未消除全局乙酰化，表明P300/CBP不是**的乙酰转移酶或其作用在这些细胞中被补偿。接下来研究人员检查了P300/CBP抑制后的线粒体生物发生。P300/CBP抑制消除了FSH诱导的线粒体DNA含量增加和TOM20表达。MitoTracker染色证实C646阻断FSH刺激的线粒体生物发生。与此一致，C646显著减弱FSH刺激的OCR和线粒体膜电位。为解决C646可能产生超出乳酸化抑制的脱靶效应的担忧，研究人员进行了P300和CBP的单独沉默。类似地，酶缺失显著降低全局和H4K5乳酸化，并相应减少KGN细胞中FSH诱导的线粒体生物发生，表现为线粒体DNA拷贝数、TOM20表达和MitoTracker Green荧光降低。P300/CBP敲低还抑制FSH诱导的线粒体膜电位升高。这些数据共同证明P300/CBP介导的H4K5la促进FSH驱动的颗粒细胞线粒体生物发生。

2.4 鉴定H4K5la调控的下游靶基因

2.5 HDAC4促进FSH诱导的线粒体生物发生

2.6 HDAC4通过位点特异性去乙酰化调节PGC-1α活性以促进线粒体生物发生

2.7 PGC-1α去乙酰化招募NRF1/2以驱动线粒体生物发生

PGC-1α作为线粒体生物发生的主调节因子，协同转录因子如NRF1和GABPA（NRF2）激活线粒体功能所需的核基因。为确定K329/330乙酰化如何影响PGC-1α活性，研究人员通过co-IP检查FSH依赖性变化。FSH刺激显著增强PGC-1α与NRF1/NRF2的相互作用，而破坏乳酸依赖性H4K5la消除这一效应。类似地，暴露于P300/CBP抑制剂C646或HDAC4耗竭显著减弱KGN细胞中FSH诱导的PGC-1α-NRF1/2复合物形成。为评估K329/330乙酰化的功能意义，研究人员在KGN细胞中表达Flag标记的PGC-1α变体（WT、乙酰化缺陷K329/330R或乙酰化模拟K329/330Q）。K329/330R突变增强FSH刺激下PGC-1α与NRF1/NRF2的结合，而K329/330Q变体显著损害这些相互作用。与此一致，ChIP-qPCR显示FSH处理细胞中K329/330R突变体对NRF1/NRF2靶基因（TFAM、TFB1M、TFB2M）启动子的占据增加，而K329/330Q突变体染色质结合显著降低。这些结果共同表明PGC-1α在K329/330的去乙酰化促进其招募至NRF1/2并驱动响应FSH的线粒体基因程序激活。PGC-1α必须从细胞质转位至细胞核以发挥转录辅激活因子功能。为确定乙酰化是否调节其亚细胞分布，研究人员用Flag标记的WT PGC-1α转染KGN细胞并进行核-胞质分级分离。FSH处理诱导PGC-1α强烈的核定位，而LMK-235抑制HDAC4或HDAC4特异性siRNA减弱这一核积累。为进一步探究K329/330乙酰化的作用，研究人员表达WT、K329/330R或K329/330Q PGC-1α构建体后进行亚细胞分级分离。K329/330R突变体增强FSH刺激的PGC-1α核进入，而K329/330Q突变体减弱核定位。免疫荧光染色证实这些结果，显示FSH处理细胞中K329/330R变体的胞质-核转位增加和K329/330Q突变体的核-胞质重新分布增强。这些发现表明FSH降低PGC-1α乙酰化，促进其核进入并增强线粒体生物发生。

2.8 抑制H4K5la/HDAC4/PGC-1α通路损害体内FSH诱导的线粒体生物发生和卵泡发育

为评估H4K5la/HDAC4/PGC-1α通路的生理相关性，接受FSH的小鼠用靶向该轴关键组分的抑制剂处理：C646（P300/CBP乳酸化抑制剂）、LMK-235（HDAC4拮抗剂）或SR-18292（PGC-1α乙酰化激活剂）。C646处理消除了卵巢颗粒细胞中FSH诱导的H4K5la，并伴随抑制HDAC4表达。与HDAC4介导的PGC-1α去乙酰化一致，通路阻断增加PGC-1α乙酰化并破坏PGC-1α-NRF1/NRF2相互作用。重要的是，该通路阻断显著损害FSH诱导的线粒体生物发生，表现为线粒体基因表达降低、mtDNA拷贝数减少和TOM20蛋白水平降低。线粒体缺陷伴随雌二醇（E2）产生减少和颗粒细胞增殖降低。在器官水平，抑制剂处理的小鼠表现出卵巢变小、卵巢重量降低、卵泡发育停滞和窦卵泡形成减少。这些发现共同证明H4K5la/HDAC4/PGC-1α轴对FSH介导的卵泡发育至关重要，通过支持线粒体代谢适应。

 研究结论

本研究揭示了一个先前未表征的FSH依赖性代谢-表观遗传通路，将糖酵解与线粒体生物发生联系起来。FSH刺激的糖酵解增加细胞内乳酸，通过P300/CBP介导的H4K5组蛋白乳酸化（H4K5la），该修饰富集于代谢基因启动子并直接激活HDAC4转录。HDAC4介导的PGC-1α在K329/K330去乙酰化促进NRF1/2招募和线粒体DNA复制及线粒体生物发生必需基因的转录。该机制可能代表代谢通量控制细胞器生物发生表观遗传调控的更广泛原理，为理解FSH依赖性生殖生理提供了机制见解，并突出了生殖障碍代谢功能障碍的潜在**机会。

Wu G, Chen M, Li C, Wei M, Pan Y, He T, Liu Z, Li H, Zhang C, Zhang JQ, Sheng Y, Liu Y, Liu H, Shen M. Histone Lactylation Couples FSH-Driven Lactate Metabolism to Mitochondrial Biogenesis by Enhancing HDAC4-Mediated Deacetylation of PGC-1α in Granulosa Cells. Research (Wash D C). 2026 Jan 15;9:1045. doi: 10.34133/research.1045. PMID: 41551912; PMCID: PMC12804605.