乙酰化通过分子伴侣介导的自噬（CMA）调控ACSL4降解缓解椎间盘退变的研究报告

作者及发表信息

本研究由Zhouwei Wu、Zhichen Jiang、Chenglong Hong、Shu Yang、Shuqing Jin、Chenyu Wu、Kaijie Guo、Jiang Liu、Shaobo Xu、Chenggui Wang和Xiangyang Wang合作完成，研究团队来自温州医科大学第二附属医院及育英儿童医院骨科、浙江省骨科重点实验室、浙江省儿童青少年脊柱侧弯智能防治工程研究中心及浙港脊柱疾病精准诊疗联合实验室。研究成果于2025年发表在Advanced Science期刊（DOI: 10.1002/advs.202516015），是一篇开放获取文章。

学术背景

科学领域：本研究聚焦于椎间盘退变（Intervertebral Disc Degeneration, IVDD）的分子机制，涉及细胞自噬（autophagy）、蛋白质翻译后修饰（post-translational modifications, PTMs）及铁死亡（ferroptosis）的交叉领域。

研究背景：
IVDD是老年人腰背痛（low back pain, LBP）的主要病因，其病理过程包括细胞外基质（ECM）降解、炎症和细胞衰老（senescence）。分子伴侣介导的自噬（Chaperone-Mediated Autophagy, CMA）是一种选择性溶酶体降解途径，通过识别含KFERQ样基序的底物蛋白（如ACSL4）维持细胞稳态。既往研究表明，CMA功能随年龄增长而衰退，但其在IVDD中的具体调控机制尚不明确。

研究目标：
1. 揭示CMA在IVDD中调控ACSL4降解的分子机制；
2. 阐明乙酰转移酶KAT2B介导的ACSL4乙酰化如何影响CMA途径；
3. 开发基于工程化外泌体（exosomes）的CMA激活疗法，延缓IVDD进展。

研究流程与实验设计

1. CMA功能在退变椎间盘中的验证

• 研究对象：25例不同Pfirrmann分级的人椎间盘组织样本（年龄23-75岁）及原代髓核细胞（Nucleus Pulposus Cells, NPCs）。
  
• 实验方法：
  
  • 免疫组化（IHC）和Western blot检测CMA关键蛋白LAMP2A的表达，发现其随退变程度增加而降低（图1b,c）。
    
  • 荧光报告系统（KFERQ-pa-mCherry）显示CMA活性在退变NPCs中显著下降（图1f）。
    
  • 氧化应激模型：用叔丁基过氧化氢（TBHP）处理NPCs，证实氧化应激抑制LAMP2A表达并诱导衰老（图1g,h）。
    

2. CMA调控NPCs衰老的机制

• 基因干预：
  
  • 通过siRNA敲低LAMP2A，发现衰老标志物（CDKN1A/p21、CDKN2A/p16）上调，ECM降解酶（MMP3/13、ADAMTS5）增加（图2a,d）。
    
  • 过表达LAMP2A可逆转TBHP诱导的衰老表型（图2f,i）。
    
• 功能实验：SA-β-gal染色和EdU增殖实验证实CMA激活抑制衰老并促进增殖（图2b,c,g,h）。
  

3. ACSL4作为CMA底物的鉴定

• 蛋白质组学分析：LAMP2A过表达后，ACSL4显著下调（图S3a,b）。
  
• 相互作用验证：
  
  • 免疫共沉淀（Co-IP）证明ACSL4与CMA伴侣蛋白HSPA8及LAMP2A结合（图S3e）。
    
  • 溶酶体抑制剂（Leupeptin/NH4Cl）处理显示ACSL4通过溶酶体途径降解（图3b,d）。
    

4. KAT2B介导的ACSL4乙酰化调控CMA

• 乙酰化位点鉴定：质谱分析发现ACSL4的K500、K571、K692位点被KAT2B乙酰化（图5a-d）。
  
• 功能验证：
  
  • 乙酰化模拟突变体（3KQ）增强ACSL4与HSPA8的结合，促进其降解（图5h）。
    
  • TBHP处理削弱KAT2B-ACSL4相互作用，减少乙酰化（图4k）。
    

5. ACSL4积累诱导铁死亡并加速IVDD

• 病理模型：退变椎间盘组织中ACSL4表达升高，伴随脂质过氧化标志物MDA增加（图S6a,b）。
  
• 干预实验：ACSL4敲低抑制铁死亡并减轻衰老（图S7a-f）；Ferrostatin-1（铁死亡抑制剂）可逆转ACSL4过表达的衰老表型（图S8）。
  

6. 动物模型与治疗应用

• AAV基因治疗：向大鼠尾椎间盘注射AAV9-LAMP2A，显著延缓退变（图6b-g）。
  
• 工程化外泌体：
  
  • 从大鼠骨髓间充质干细胞（RNBMSCs）提取外泌体，电穿孔转染LAMP2A质粒（图7a）。
    
  • 体内实验：LAMP2A-exosomes有效恢复椎间盘高度和ECM（图8b-k）。
    

主要研究结果

1. CMA功能衰退是IVDD的关键特征，表现为LAMP2A表达下降及ACSL4积累。
   
2. KAT2B介导的ACSL4乙酰化通过生成KFERQ样基序，促进其被HSPA8识别并经由CMA降解。
   
3. ACSL4积累触发铁死亡，导致NPCs衰老和ECM降解。
   
4. 靶向CMA的干预策略（AAV或外泌体递送LAMP2A）在动物模型中显著缓解IVDD。
   

研究意义与价值

科学价值：
- 首次揭示乙酰化修饰通过CMA调控ACSL4降解的分子通路，为IVDD提供了新的表观遗传调控视角。
- 阐明铁死亡在椎间盘退变中的关键作用，扩展了细胞死亡方式与退行性疾病的关联。

应用价值：
- 工程化外泌体作为LAMP2A递送载体，为IVDD的临床治疗提供了无创、靶向的新策略。
- 乙酰化位点（K500/K571/K692）可作为药物开发的潜在靶点。

研究亮点

1. 创新机制：发现KAT2B-ACSL4乙酰化-CMA轴的全新调控网络。
   
2. 技术突破：结合TMT蛋白质组学、SIM超分辨显微镜和体内外泌体递送系统。
   
3. 转化潜力：首次将CMA激活疗法应用于椎间盘退变的干预。
   

其他重要内容

• 研究强调衰老相关分泌表型（SASP）在IVDD中的作用，为未来抗衰老治疗提供依据。
  
• 提出的“乙酰化-自噬-铁死亡”调控轴可能适用于其他退行性疾病（如骨关节炎、神经退行性疾病）的研究。