睡眠是生命不可或缺的本能行为，对健康生存至关重要。在快节奏的现代生活中，由于社会压力、疾病以及衰老等多方面原因导致睡眠不足或睡眠障碍成为全球公共卫生流行病。根据最新数据显示，中国睡眠不足的人群更高达40%。睡眠紊乱导致代谢功能障碍，破坏机体代谢稳态，诱发糖尿病并损伤认知功能。然而，人们对睡眠与代谢稳态之间的调控机制，仍知之甚少。
2024年9月3日，四川大学华西医院李涛教授团队在Cell Metabolism杂志上发表题为Acetate enables metabolic fitness and cognitive performance during sleep disruption的封面文章。四川大学华西医院李涛教授（Lead Contact）、中国科学技术大学曹洋教授和新疆自治区人民医院李南方教授为该论文的共同通讯作者。李涛课题组成员贺琴琴博士后、戢力维博士、王艳艳副教授及张雅蓉博士后为该论文的共同第一作者。
该研究聚焦人群普遍存在的睡眠问题—碎片化睡眠（Sleep fragmentation, SF）对葡萄糖代谢和认知功能的影响，首次揭示了乙酸在SF中维持糖代谢稳态和认知功能的重要作用，系统解析了乙酸通过激活丙酮酸羧化酶，促进下丘脑星形胶质细胞糖酵解和TCA循环，调控葡萄糖代谢，从而维持SF中代谢稳态和认知功能。
研究材料与方法
研究使用小鼠睡眠剥夺仪对自由活动的小鼠进行间歇性触觉刺激，建立慢性SF模型。脑电记录示踪小鼠睡眠周期改变，16s rRNA测序检测肠道菌群变化，糖耐量和胰岛素敏感性检测糖代谢改变，Morris水迷宫和新事物识别评估小鼠认知表现，18FDG-PET/CT示踪脑区葡萄糖摄取改变。核磁共振碳谱（13C-NMR），13C-Flux分析追踪脑区代谢物乙酸利用改变。神经环路示踪和电生理检测不同脑区之间的结构和功能联系。分子动力学模拟解析蛋白与乙酸互作的氨基酸序列。此外，使用Acss1flox/flox小鼠（由赛业生物提供）与GFAP-Cre小鼠杂交，构建星形胶质细胞性Acss1基因敲除小鼠（cKO），以及Acss1感染病毒靶向调控PVN区乙酸水平。
技术路线
研究结果
SF小鼠出现葡萄糖代谢失衡和认知功能损伤，表现为糖耐量受损，胰岛素敏感性降低，脑葡萄糖摄取和利用降低，系统葡萄糖稳态失衡（图1）。研究者发现下丘脑乙酸水平增加，同时，乙酸线粒体中代谢关键酶乙酰辅酶A合成酶1（Acyl-CoA synthetase short-chain family member, ACSS1）在SF小鼠下丘脑中显著下降，表现为乙酸氧化利用和下游代谢中间产物减少。
ACSS1特异性地在胶质细胞中表达，以星形胶质细胞表达最高，经过仔细思考，研究者决定选用Acss1flox/flox小鼠（由赛业生物提供）与GFAP-Cre小鼠杂交，构建星形胶质细胞性Acss1基因敲除小鼠（cKO）增加脑乙酸水平，发现SF状态下cKO小鼠的葡萄糖代谢和认知功能均优于同窝野生型小鼠（图2）。进一步研究发现，SF小鼠下丘脑室旁核（paraventricular nucleus, PVN）的星形胶质细胞显著活化。研究者通过星形胶质细胞特异性干扰或过表达Acss1靶向调控PVN乙酸水平，发现可改变SF小鼠的葡萄糖代谢稳态和认知功能，证实了PVN乙酸水平在维持葡萄糖代谢和认知功能中的重要作用（图2）。
研究者发现乙酸可促进体外培养的原代星形胶质细胞葡萄糖摄取，增强葡萄糖代谢的关键酶丙酮酸羧化酶（pyruvate carboxylase, PC）活性，进而促进糖酵解和TCA循环。通过共溶剂分子动力学模拟（mixed-solvent molecular dynamics, MixMD），他们发现乙酸小分子与PC蛋白存在特定的氨基酸结合序列，从而激活PC（图3）。
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研究结论
综上所述，本研究发现乙酸通过促进星形胶质细胞的丙酮酸羧化酶，促进糖酵解和TCA循环，改善SF小鼠葡萄糖代谢稳态和认知功能，揭示了乙酸维持睡眠紊乱中代谢稳态和认知功能新机制（图4,左）。该文也被Cell Metabolism选为当期封面文章（图4,右）和Featured Article做重点推荐。
参考文献：
[1]He, Qinqin et al. “Acetate enables metabolic fitness and cognitive performance during sleep disruption.” Cell metabolism vol. 36,9 (2024): 1998-2014.e15. doi:10.1016/j.cmet.2024.07.019
[2]2019. Lancet Respir. Med.https://doi.org/10.1016/S2213-2600(19)30198-5. 《中国睡眠研究报告2023》