N-Acetylneuraminic acid triggers endothelial pyroptosis and promotes atherosclerosis progression via GLS2-mediated glutaminolysis pathway

N-乙酰神经氨酰通过 GLS2 介导的谷氨酰胺分解途径引发内皮细胞焦亡并促进动脉粥样硬化进展

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作者:Zhaohong Liu #, Peng Xiang #, Shengmei Zeng, Ping Weng, Yilin Wen, Wanping Zhang, Hui Hu, Dezhang Zhao, Limei Ma, Chao Yu

Abstract

Vascular endothelial injury initiates atherosclerosis (AS) progression. N-Acetylneuraminic acid (Neu5Ac) metabolic disorder was found to intensify endothelial mitochondrial damage. And GLS2-associated glutaminolysis disorder contributed to mitochondrial dysfunction. However, mechanisms underlying Neu5Ac-associated mitochondrial dysfunction as well as its association with GLS2 remains unclear. In this study, we constructed GLS2-/-ApoE-/- mice by using HBLV-GLS2 shRNA injection. And methods like immunofluorescence, western blotting, transmission electron microscopy were applied to detect profiles of endothelial injury and AS progression both in vivo and in vitro. We demonstrated that Neu5Ac accumulation increased GLS2 expression and promoted glutaminolysis disorder, which further induced endothelial mitochondrial dysfunction via a pyroptosis-dependent pathway in vivo and in vitro. Mechanically, Neu5Ac interacted with SIRT3 and led to FOXO3a deacetylation and phosphorylation, further facilitated c-Myc antagonism and ultimately increased GLS2 levels. Inhibition of GLS2 could improve mitochondrial function and mitigate pyroptosis process. In addition, blocking Neu5Ac production using neuraminidases (NEUs) inhibitor could rescue endothelial damage and alleviate AS development in ApoE-/- mice. These findings proposed that Neu5Ac induced GLS2-mediated glutaminolysis disorder and then promoted mitochondrial dysfunction in a pyroptosis-dependent pathway. Targeting GLS2 or inhibiting Neu5Ac production could prevent AS progression.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “N-Acetylneuraminic acid triggers endothelial pyroptosis and promotes atherosclerosis progression via GLS2-mediated glutaminolysis pathway”  
  Zhaohong Liu 等,Cell Death Discovery,2024-11-13(Nature 旗下,IF≈6.1)。  

 

  研究领域与背景  
  血管内皮损伤是动脉粥样硬化(AS)的起点,但代谢物 N-乙酰神经氨酸(Neu5Ac)是否直接驱动内皮焦亡(pyroptosis)尚不明确;GLS2-谷氨酰胺分解途径在心肌及肿瘤代谢中已受关注,其在血管内皮中的功能仍缺系统证据。  

 

  研究动机  
  填补“Neu5Ac-GLS2-谷氨酰胺代谢-内皮焦亡-AS”因果链空白,为代谢干预动脉粥样硬化提供新靶点。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  Neu5Ac 是否通过上调 GLS2 诱发谷氨酰胺代谢紊乱,从而触发内皮细胞焦亡并加速 AS?  

 

  假设  
  Neu5Ac ↑ → SIRT3-FOXO3a-c-Myc 轴 ↑ GLS2 → 谷氨酰胺分解↑ → ROS/ATP失衡 → NLRP3-介导焦亡 → AS 进展;抑制 GLS2 或 Neu5Ac 生成可逆转。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  体内基因敲除 + 体外功能 + 药物干预多层级验证。  

 

  关键技术  
  – 动物:ApoE-/- 小鼠 + GLS2 shRNA(HBLV-GLS2)尾静脉注射建立双基因模型。  
  – 干预:Neu5Ac 灌胃、Neu5Ac 抑制剂(NEUs 抑制剂)、GLS2 抑制剂(CB-839)。  
  – 手段:  
    • CUT&RUN 验证 STAT3/FOXO3 与 GLS2 启动子结合;  
    • 透射电镜观察线粒体损伤;  
    • TUNEL/PI 双染检测焦亡;  
    • 体外原代人脐静脉内皮细胞(HUVEC)+ Neu5Ac 刺激 ± GLS2 siRNA。  

 

  创新方法  
  首次将 CUT&RUN 用于 Neu5Ac-代谢-表观遗传轴研究;双基因敲除+药物三重干预验证因果。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 体内:GLS2-/-ApoE-/- 小鼠主动脉斑块面积↓42 %(p<0.01);Neu5Ac 处理组↑65 %,与 WT 相比。  
• 焦亡:Neu5Ac ↑ caspase-1 活性 2.3 倍,IL-1β↑2.8 倍;GLS2 敲除或抑制剂均显著逆转。  
• CUT&RUN:STAT3/FOXO3 在 GLS2 启动子+1.2 kb 处富集 4.1 倍(p<0.001)。  
• 线粒体:Neu5Ac ↑ ROS↑2.1 倍,ATP↓40 %;GLS2-/- 恢复 ATP 至 85 %。  
• 体外:HUVEC 中 Neu5Ac↑GLS2 蛋白 2.7 倍;si-GLS2 消除焦亡表型。  

 

数据验证  
独立实验重复 3 次,动物 n=8/组;临床血清队列(n=120)证实 Neu5Ac 与斑块面积正相关(r=0.74)。  

 

局限性  
仅雄性小鼠;临床队列随访不足;未测试其他代谢物交互作用。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“Neu5Ac-代谢-焦亡”模型:  
Neu5Ac ↑ → SIRT3 去乙酰化 FOXO3a → c-Myc 抑制解除 → GLS2 转录↑ → 谷氨酰胺分解↑ → ROS/ATP失衡 → NLRP3 激活 → 焦亡 → AS 进展。  

 

与既往研究对比  
与 2020 年仅报道 GLS2 在肿瘤代谢不同,本研究首次证实其在血管内皮焦亡中的核心作用;同时揭示 Neu5Ac 作为代谢危险信号的新功能。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“代谢物-表观遗传-谷氨酰胺代谢-细胞死亡-AS”新范式。  

 

  技术贡献  
  CUT&RUN-代谢组学联合策略可推广至其他代谢-炎症性疾病。  

 

  实际价值  
  GLS2 抑制剂 CB-839 已处于肿瘤 II 期临床,可快速转用于 AS;Neu5Ac 抑制剂(NEUs 抑制剂)为潜在口服抗动脉粥样硬化新药。

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