Shati/Nat8l在神经系统中作用及机制的研究进展

［摘要］Shati/Nat8l 是具有N-乙酰基转移酶活性的N-乙酰转移酶-8样蛋白（Nat8l），在多个大脑区域表达，主要调节N-乙酰-L-天冬氨酸（NAA）的量，参与神经系统的神经发生、髓鞘形成、神经可塑性、神经营养因子调节、多巴胺能系统等的生理病理过程，与认知功能障碍等多种神经系统疾病的发病机制相关。本文综述Shati/Nat8l在神经系统中的作用及其分子机制，以期为神经系统疾病的诊治提供新方向。

［关键词］Shati/Nat8l；N-乙酰-L-天冬氨酸；神经发生；神经可塑性；多巴胺能系统；髓鞘形成

doi：10.3969/j.issn.1674-7593.2023.05.021

Advances in Understanding the Neurological Function and Mechanisms of Shati/Nat8l

Zhou Yuanqing1，2，Liu Haijun1，Xu Ping1**

1Neurology Department，Affiliated Hospital of Zunyi Medical University，Zunyi563000；2Brain Science Laboratory of Zunyi Medical University，Zunyi563003

**Corresponding author：Xu Ping，email：xuping527@vip.sina.com

［Abstract］Shati/Nat8l，a notable N-acetyltransferase-8-like protein（Nat8l），orchestrates vital functions within the nervous system by modulating N-acetyltransferase activity.This activity is pivotal in regulating the concentration of N-acetyl-L-aspartate（NAA） across multiple cerebral regions.Beyond its enzymatic role，Shati/Nat8l exerts influence over critical physiological and pathological processes encompassing neurogenesis，myelinogenesis， neuroplasticity，regulation of neurotrophic factors，and modulation of the dopaminergic system.Intriguingly，its intricate involvement extends to the intricate landscape of neurological disorders，including cognitive impairments.This comprehensive paper illuminates the multifaceted role of Shati/Nat8l in the nervous system，unraveling its molecular mechanisms.By doing so，it not only broadens our comprehension but also points towards novel avenues for the diagnosis and therapeutic intervention of a spectrum of neurological disorders.

［Key words］Shati/Nat8l;N-acetyl-L-aspartate;Neurogenesis;Neuroplasticity;Dopaminergic system;Myelination

Shati/Nat8l是从连续接受甲基苯丙胺的大鼠的伏隔核（腹侧纹状体）中鉴定出来，与大脑发育和功能密切相关的蛋白质，具有N-乙酰基转移酶活性，在大脑中催化乙酰辅酶A和L-天冬氨酸合成N-乙酰-L-天冬氨酸（N-acetyl-L-aspartate，NAA），NAA可部分被转化为N-乙酰天冬氨酸谷氨酸酯（N-acetylaspartylglutamate，NAAG）［1］。NAA是所有神经元的直接能量底物，乙酰辅酶A，是神经系统中的主要储存和运输形式，神经元因其独特的结构和功能而具有极高的能量密集性，因此NAA对大脑的能量代谢至关重要。NAA可能是胰岛素分泌的调节因子，这进一步可能使其成为全身能量平衡的关键能量代谢物［2］。NAAG是一种作用于代谢型谷氨酸受体（Metabotropic glutamate receptor，mGluRs）且广泛分布的神经递质。NAAG可能经突触小泡从神经末梢释放，并抑制突触前谷氨酸囊泡释放，调节突触后密度蛋白和通路激活后的突触后受体表达，以维持皮质突触可塑性和神经递质稳态，NAAG在认知和记忆中起重要作用［3］。本文综述Shati/Nat8l在神经系统生理病理过程中的作用及机制，为神经系统疾病的治疗靶点提供理论依据。

1Shati/Nat8l与神经发生

神经发生受损是脑卒中、阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）、术后认知功能障碍、帕金森病（Parkinson's disease，PD）等疾病的重要发病机制。成年期大脑的神经发生维持在两个主要区域：侧脑室的室下区和海马齿状回的颗粒下区。海马的神经发生与脑的生理功能有关，如记忆编码和情绪调节。成人海马神经发生起始于齿状回区的神经前体细胞，神经前体细胞经历分裂、清除、分化和成熟后形成神经颗粒细胞，每一步均可能受到环境、药物干预和神经递质 （如多巴胺）的影响［4］。Shati/Nat8l敲除的成年小鼠海马齿状回区神经发生受损和成熟受到抑制，多巴胺能标志物酪氨酸羟化酶标记的阳性细胞数目显著减少。因海马齿状回区接受多巴胺能神经元的投射，而多巴胺信号调节神经前体细胞的增殖［5］。由于神经干细胞（Neural stem cells，NSCs）的存在，成人神经发生和突触重塑这种独特的结构在海马齿状回和侧脑室的室下区持续存在。利用质子磁共振波谱检测缺氧缺血性损伤后的大脑，发现脑内NAAG、谷胱甘肽和肌酸含量在12～24 h达到峰值，这与海马NSCs和神经元的功能恢复时间一致，其中NAAG可竞争性结合mGluR3来降低谷氨酸的兴奋毒性作用，从而减少细胞损伤并促进损伤修复［6］。自噬缺陷可加重神经发生受损。而长链非编码RNA（Long non-coding RNA，LncRNA） GAS5可激活miRNA-31-5p/NAT8L信号通路促进自噬［7］。神经发生的调节机制广泛而复杂，作为NAA与NAAG合成的关键酶，Shati/Nat8l在神经发生中具有明确的作用，并从神经发生途径解释神经细胞损伤与修复的机制，有助于临床上为相关疾病患者提供合适的诊疗手段，提升患者的治疗效果。

2Shati/Nat8l与多巴胺能系统

多巴胺（Dopamine，DA）是一种参与运动控制、情感和情绪状态调节、奖励机制、行为强化和选择性高级认知功能等多种生理功能的关键神经递质。多巴胺能传递障碍是几种极具破坏性的神经与精神疾病如PD、精神分裂症、双相情感障碍和药物成瘾的核心改变［8］。伏隔核中Shati/Nat8l的过表达，间接导致NAAG增加，激活Ⅱ组mGluR来抑制多巴胺能系统。此研究还发现多巴胺D1受体拮抗剂SCH23390能够抑制小鼠伏隔核Shati/Nat8l上调［9］。内侧前额叶皮质Shati/Nat8l的过表达可降低伏隔核的神经细胞外DA的水平，可能机制为Shati/Nat8l通过从内侧前额叶皮质投射到伏隔核的谷氨酸能神经元作用于Ⅱ组 mGluR进而影响伏隔核的DA水平［10］。加兰他敏可通过α7型烟碱乙酰胆碱受体（Alpha 7 nicotinic acetylcholine receptor，α7nAChRs）增加海马的DA释放并激活多巴胺D1受体以改善Shati/Nat8l缺陷小鼠的注意障碍［5］。

3Shati/Nat8l与髓鞘形成

胶质细胞可调节中枢神经系统功能，特别是髓鞘，可支持神经元信号传导。髓鞘功能障碍可导致社交活动减少和其他行为缺陷。Shati/Nat8l mRNA的表达随着全脑发育而增加，Shati/Nat8l除了与神经轴突延长和ATP合成呈正相关，还可正向调控皮质髓鞘碱性蛋白（Myelin basic protein，MBP）水平。Shati/Nat8l缺失， NAA合成减少，幼年小鼠前额叶皮质MBP的水平下降，从而抑制髓鞘形成并影响情绪行为［11］。使用液相色谱-串联质谱和高效薄层色谱对 NAT8L敲除小鼠进行脂质组学分析发现，大脑中的鞘磷脂和磺胺脂含量减少。经NAA处理的原代少突胶质细胞培养物的代谢组学分析显示，可以激活组蛋白脱甲基酶活性的α-酮戊二酸水平升高，组蛋白H3甲基化水平增加，出现4号赖氨酸的三甲基化（H3K4me3）、9号赖氨酸的二、三甲基化（H3K9me2和H3K9me3）［12］。H3K4me3可调节细胞能量、代谢和生长。而H3K9me3与发育中少突胶质细胞转录抑制的改变有关［13］。NAA在神经元合成，但可影响胶质细胞的功能，出现神经-胶质串扰，Shati/Nat8l 与 NAA一起参与少突胶质细胞和星形胶质细胞的成熟、髓鞘磷脂的产生和DA依赖性脑信号传导［1］。可能为髓鞘发育障碍与损伤指出新的研究方向。

4Shati/Nat8l与神经营养因子

脑源性神经营养因子（Brain-derived neurotrophic factor，BDNF）是研究最多的神经营养因子，与神经元维持、存活、可塑性和神经递质调节有关。背侧纹状体中Shati/Nat8l的升高诱导BDNF启动子 Ⅳ的表观遗传修饰，即组蛋白H3第9位赖氨酸乙酰化（H3K9ac）增强，提示Shati/Nat8l可影响海马BDNF的 mRNA 水平［14］。同时H3K9ac的升高可以通过敲除背侧纹状体中Shati/Nat8l而发生逆转［15］。组蛋白乙酰化修饰通常会增强基因转录。而背侧纹状体中Shati/Nat8l的升高可通过组蛋白H3K9ac调控BDNF表达水平，BDNF表达调控在各种神经功能缺损的疾病中具有重要意义，而Shati/Nat8l可能成为一个新靶点。

5Shati/Nat8l与神经系统疾病

5.1Shati/Nat8l与认知功能障碍

缺乏Shati/Nat8l的小鼠在发育阶段认知功能下降。随着年龄的增长，小鼠背侧海马中的Shati/Nat8l mRNA表达减少。在老龄小鼠中观察到的认知功能障碍可通过背侧海马中Shati/Nat8l过表达及进一步增加已减少的 NAA而逆转。AD是痴呆症最常见的病因，AD小鼠海马中如果出现Shati/Nat8l过表达，则可上调BDNF mRNA水平并改善认知障碍［16］。β淀粉样蛋白（Beta-amyloid peptide ，Aβ）沉积是AD主要病理特征之一，NAA中的甲基（- CH3）可能与Aβ低聚物中任意两个黏附多肽之间的CH3-CH3相互竞争，破坏分子间疏水作用，从而暴露单体单元掩盖的疏水基团，并最终溶解和阻碍Aβ形成［17-18］。Aβ沉积和淀粉样前体蛋白（Amyloid precursor protein，APP）的增多可致AD的海马神经发生受损与突触可塑性降低。移植NSCs的AD小鼠海马中NAA和谷氨酸水平升高，并导致Aβ的斑块与沉积显著减少，突触素（Synapsin，SYN）与突触后致密蛋白-95（Postsynapticdensity-95，PSD-95）水平升高，最终促进内源性神经发生和突触重塑，改善记忆［19］。大鼠Shati/Nat8l mRNA在内侧前额叶皮质表达水平高于其他大脑区域［20］。Shati/Nat8l的缺失可能降低前额叶皮质锥体神经元和海马树突的复杂性，而且树突长度缩短和增殖减少。这些与增加兴奋性γ-氨基丁酸传递有关［5］。Shati/Nat8l的缺失最终可通过干扰突触活动损害新物体识别和上下文记忆能力。

5.2Shati/Nat8l与抑郁症

大鼠背侧纹状体中过表达的Shati/Nat8l可通过中缝背侧mGluR3调节5-羟色胺能神经元导致抑郁症的行为缺陷和社交退缩，Shati/Nat8l及其下游的mGluR3神经传递可能是用于开发治疗重度抑郁症的药物疗法潜在的新靶点［21-22］。纹状体Shati/Nat8l-BDNF通路可能是一种通过调节应激敏感性治疗抑郁症的新型治疗机制［14］。因缺少生物标志物和客观检查手段，基于临床病史的采集很难早期发现和诊断抑郁症。有研究者采用焦磷酸测序评估抑郁症患者Shati/Nat8l的基因启动子区域的DNA甲基化，发现未服药患者外周血中CpG岛位点甲基化水平显著高于健康对照组。相反，药物治疗组在同一区域的甲基化水平较健康对照组显著降低［23］。随着检验技术的迭代和检验精度的不断提高，初治抑郁症患者Shati/Nat8l的基因启动子区域的甲基化状态可能是一种可靠的诊断标志物。

5.3Shati/Nat8l与Canavan病

Canavan病是一种进行性、致命的神经系统疾病，始于婴儿期，由天冬氨酰化酶（Aspartoacylase，ASPA）的基因突变引起，ASPA是一种催化NAA脱乙酰化为醋酸盐和天冬氨酸的酶。患儿大脑中NAA水平的升高是Canavan病的标志之一。编码Shati/Nat8l的基因NAT8L的缺失可使NAA水平正常化，并改善了几种基因工程Canavan病模型小鼠的症状［24］。此外，通过对成年ASPA缺陷小鼠进行Shati/Nat8l锁定核酸反义寡核苷酸的注射来抑制Shati/Nat8l表达以减少NAA的合成，可减轻小脑与丘脑的空泡化以及浦肯野细胞的树突萎缩，改善共济失调［25］。Canavan病的现有治疗方案均无法逆转和阻止其进展，Shati/Nat8l与NAA可能成为Canavan病治疗的突破口。

5.4Shati/Nat8l与脊髓小脑共济失调2型

脊髓小脑共济失调2型（Spinocerebellar ataxia type 2，SCA2）是一种常染色体显性遗传的神经退行性疾病，由ATXN2基因的CAG扩增突变引起，主要影响脊髓运动神经元和小脑浦肯野细胞。目前对SCA2尚无有效预后评估方法。SCA2和其他多种神经退行性疾病大脑中的NAA水平较低，且NAA下降的程度与SCA2的进展高度相关［26］。ATXN2与mRNA翻译调节和应激反应相关，ATXN通过其N端Lsm结构域（Like -sm，Lsm）和LsmAD结构域（Like -smAD，LsmAD）高度选择性结合并作用于Shati/Nat8l 的mRNA，降低Shati/Nat8l 的mRNA表达，使Shati/Nat8l翻译减少，从而降低NAA合成，SCA2患者血液中Shati/Nat8l可能成为评估预后的外周生物标志物［26-27］。

6小结与展望

综上所述， Shati/Nat8l对于神经系统疾病有较为广泛的作用，与神经发生、髓鞘形成等相关，为神经系统多种疾病的发病机制提供新的思路和新的治疗靶点。但仍需大量实验进行深入的机制研究。有关Shati/Nat8l的研究主要通过基因敲除或过表达进行，如果能够通过药物增强 Shati/Nat8l的功能以及调控表达，对认识Shati/Nat8l的生理作用以及新疗法的开发都能带来新的启发。此外，现阶段少有基础研究结果应用于临床研究，因此，深入掌握Shati/Nat8l不同信号通路相互作用的网络以及其中的关键靶点，促使 Shati/Nat8l表型的转换并面向临床，亦是下一步研究方向。

参考文献

［1］Kowalski R，Pikul P，Lewandowski K，et al.The cAMP inducers modify N-acetylaspartate metabolism in Wistar rat brain［J］.Antioxidants（Basel），2021，10（9）.doi：10.3390/antiox10091404.

［2］Hofer DC，Zirkovits G，Pelzmann HJ，et al.N-acetylaspartate availability is essential for juvenile survival on fat-free diet and determines metabolic health［J］.FASEB J，2019，33（12）：13808-13824.

［3］Li K，Lu M，Cui M，et al.The regulatory role of NAAG-mGluR3 signaling on cortical synaptic plasticity after hypoxic ischemia［J］.Cell Commun Signal，2022，20（1）：55.

［4］Zhang TY，Keown CL，Wen X，et al.Environmental enrichment increases transcriptional and epigenetic differentiation between mouse dorsal and ventral dentate gyrus［J］.Nat Commun，2018，9（1）：298.

［5］Wulaer B，Kunisawa K，Hada K，et al.Shati/Nat8l deficiency disrupts adult neurogenesis and causes attentional impairment through dopaminergic neuronal dysfunction in the dentate gyrus［J］.J Neurochem，2021，157（3）：642-655.

［6］Li K，Zheng Y，Wang X.Self-regulation of cerebral metabolism and its neuroprotective effect after hypoxic-ischemic injury：evidence from 1H-MRS［J］.Front Neuroanat，2021，15：672412.

［7］Wu Q，Zhou X，Wang Y，et al.LncRNA GAS5 promotes spermidine-induced autophagy through the miRNA-31-5p/NAT8L axis in pulmonary artery endothelial cells of patients with CTEPH［J］.Mol Med Rep，2022，26（4）.doi：10.3892/mmr.2022.12813.

［8］Zell V，Steinkellner T，Hollon NG，et al.VTA glutamate neuron activity drives positive reinforcement absent dopamine co-release［J］.Neuron，2020，107（5）：864-873.e4.

［9］Uno K，Miyazaki T，Sodeyama K，et al.Methamphetamine induces Shati/Nat8L expression in the mouse nucleus accumbens via CREB- and dopamine D1 receptor-dependent mechanism［J］.PLoS One，2017，12（3）：e0174196.

［10］Haddar M，Uno K，Azuma K，et al.Inhibitory effects of Shati/Nat8l overexpression in the medial prefrontal cortex on methamphetamine-induced conditioned place preference in mice［J］.Addict Biol，2020，25（3）：e12749.

［11］Sumi K，Uno K，Noike H，et al.Behavioral impairment in SHATI/NAT8L knockout mice via dysfunction of myelination development［J］.Sci Rep，2017，7（1）：16872.

［12］Singhal NK，Huang H，Li S，et al.The neuronal metabolite NAA regulates histone H3 methylation in oligodendrocytes and myelin lipid composition［J］.Exp Brain Res，2017，235（1）：279-292.

［13］Liu J，Magri L，Zhang F，et al.Chromatin landscape defined by repressive histone methylation during oligodendrocyte differentiation［J］.J Neurosci，2015，35（1）：352-365.

［14］Miyanishi H，Nitta A.A role of BDNF in the depression pathogenesis and a potential target as antidepressant： the modulator of stress sensitivity “Shati/Nat8l-BDNF system” in the dorsal striatum［J］.Pharmaceuticals（Basel），2021，14（9）：889.

［15］Miyanishi H，Muramatsu SI，Nitta A.Striatal Shati/Nat8l-BDNF pathways determine the sensitivity to social defeat stress in mice through epigenetic regulation［J］.Neuropsychopharmacology，2021，46（9）：1594-1605.

［16］Chino K，Izuo N，Noike H，et al.Shati/Nat8l overexpression improves cognitive decline by upregulating neuronal trophic factor in Alzheimer's disease model mice［J］.Neurochem Res，2022，47（9）：2805-2814.

［17］Warepam M，Mishra AK，Sharma GS，et al.Brain metabolite，N-acetylaspartate is a potent protein aggregation inhibitor［J］.Front Cell Neurosci，2021，15：617308.

［18］丁鸿莉，第五永长，刘奇，等.微生物-肠-脑轴与阿尔茨海默病相关性的研究进展［J］.国际老年医学杂志，2023，44（1）：87-90.

［19］Zhang W，Gu GJ，Zhang Q，et al.NSCs promote hippocampal neurogenesis，metabolic changes and synaptogenesis in APP/PS1 transgenic mice［J］.Hippocampus，2017，27（12）：1250-1263.

［20］Haddar M，Azuma K，Izuo N，et al.Impairment of cognitive function induced by Shati/Nat8l overexpression in the prefrontal cortex of mice［J］.Behav Brain Res，2021，397：112938.

［21］Uno K，Miyanishi H，Sodeyama K，et al.Vulnerability to depressive behavior induced by overexpression of striatal Shati/Nat8l via the serotonergic neuronal pathway in mice［J］.Behav Brain Res，2019，376：112227.

［22］贾建平，贾健民，周卫东，等.Differential acetylcholine and choline concentrations in the cerebrospinal fluid of patients with Alzheimer's disease and vascular dementia［J］.中华医学杂志（英文版），2004，117（8）：1161-1164.

［23］Miyanishi H，Uno K，Iwata M，et al.Investigating DNA methylation of SHATI/NAT8L promoter sites in blood of unmedicated patients with major depressive disorder［J］.Biol Pharm Bull，2020，43（7）：1067-1072.

［24］Neuta O，Thomas AG，Alt J，et al.High throughput screening cascade to identify human aspartate N-acetyltransferase（ANAT） inhibitors for canavan disease［J］.ACS Chem Neurosci，2021，12（18）：3445-3455.

［25］Hull V，Wang Y，Burns T，et al.Antisense oligonucleotide reverses leukodystrophy in vanavan fisease mice［J］.Ann Neurol，2020，87（3）：480-485.

［26］Sen NE，Canet-Pons J，Halbach MV，et al.Generation of an Atxn2-CAG100 knock-in mouse reveals N-acetylaspartate production deficit due to early Nat8l dysregulation［J］.Neurobiol Dis，2019，132：104559.

［27］Shen ZC，Xia ZX，Liu JM，et al.APT1-mediated depalmitoylation regulates hippocampal synaptic plasticity［J］.J Neurosci，2022，42（13）：2662-2677.

（2022-12-26收稿）