“乳酸作为激活剂引起内质网镁库中镁离子的快速释放，进而在多种类型的细胞中促进了线粒体摄取镁离子。这一过程具有L型乳酸特异性，且在生理温度下具有显著的温度与剂量敏感性，并依赖于线粒体的高膜电位发生。研究揭示了乳酸对细胞内镁离子的调动机制，将线粒体中的镁离子转运机制与主要代谢反馈通路以及线粒体生物能相结合。通过细胞内镁离子稳态紊乱，对寻找下游生理结果以及相关疾病的病因具有重要作用。”关于金属离子生物学功能的研究一直以来都是一个有趣且非常重要的问题，但我们对于金属离子功能的认知还处于一个非常基础的水平。镁离子（Mg2+）是细胞中丰度最高的二价阳离子之一，在维持机体健康与生命活动中发挥着重要的作用。细胞内的Mg2+稳态由多种转运蛋白共同调控，而线粒体内的Mg2+流动则通过Mrs2转运蛋白进行调控（图1）。Mg2+在细胞核与细胞质中发挥着重要的作用，在细胞核内，与DNA的稳定、修复以及调控DNA与RNA聚合酶的活性有关；在细胞质中，通过结合ATP调节多种酶的活性、增殖以及tRNA与mRNA的稳定性。生长因子受体(如EGFR)的激活会增加Mg2+的摄取以及膜上结合的Mg2+释放，从而导致mTOR的激活以及内质网（ER）中Ca2+的释放。这些机制都是细胞生长和增殖所必需的。图1Mg2+incellularphsiology研究表明，多细胞动物细胞中，有95%的镁离子([Mg2+]i;10–30mM)与ATP以及其他分子相结合。此外，还有一些游离的未结合镁离子(0.5–1.2mM)，它们对生物分子功能的影响还未可知。但值得注意的是，这些游离镁离子的浓度比电化学位低倍，也就是说，它们的流动是受到调控的。圣安东尼奥德克萨斯大学健康科学中心的MuniswamyMadesh团队于10月8日在cell杂志上发表的题为“LactateElicitsER-MitochondrialMg2+DynamicstoIntegrateCellularMetabolism”的研究论文，找到了作为信号分子调控镁离子在内质网与线粒体之间往来的激活剂——L型乳酸，并研究这种动态转运对生物能量调控的作用。
1Whatistheligand(s)/activator(s)mobilizingiMg2+?
与钙离子相似，镁离子是在蛋白质合成、ATP产生以及染色质/核酸稳定过程中作用的酶的辅助因子。镁离子作用过程中的吸收或释放、进出细胞器，需要一个激活剂给予它一个“力”。镁离子作为协同因子协调细胞糖酵解酶、线粒体脱氢酶以及ATP合酶这些与细胞产能有关的酶来调控细胞的代谢水平；而细胞的代谢水平又反过来调节细胞质以及线粒体中的镁离子浓度。于是作者猜想：与细胞产能有关的内源代谢物是否可能是调控镁离子的潜在配体。首先，作者建立了一个用于筛选内源代谢物的模型。用MagGreen-AM（绿色荧光探针，对镁离子的Kd~1.0mM，结合镁离子后会有/的荧光信号）来标记镁离子，同时使用MitoTrackerred（红色荧光探针）来标记线粒体。观察加入不同等量的内源代谢物后，MagGreen信号在不同细胞器中的强度变化。本次研究筛选了与糖酵解、三磷酸循环、氧化磷酸化等过程相关的多种内源代谢物，最终发现，只有糖酵解的终产物乳酸能够非常显著地调控MagGreen的信号强度，尤其是内质网内信号的下降及同时线粒体内信号的上升（图2,B）。在图2（CD）中可以看到MagGreen信号在加入乳酸之后从内质网转移到线粒体中。对比加入等量葡萄糖与乳酸，加入乳酸后绿色荧光从内质网中流出并与红色信号相融，而加入葡萄糖后绿色荧光位置几乎没有变化。也就是说乳酸能够作为激活剂来刺激镁离子从内质网中的释放，并促进线粒体对镁离子的吸收和利用。图2LactateStimulatesRapidDepletionofERMagnesiumStoresandSubsequentUptakebyMitochondria
考虑到大部分的乳酸在大的生理与病理范围内都积累在细胞外液，作者评估了可以激活内质网外排镁离子以及线粒体摄入镁离子所需的乳酸浓度及最适温度。结果发现，这种乳酸调控镁离子流动的过程具有L型乳酸特异性、剂量特异性与温度敏感性（图3）。加入5mM以上的乳酸反应强度最高且保持平稳，37℃时内质网内乳酸信号下降强度最大且线粒体内信号强度上升。
图3Mg2+DepletionfromERIsL-LactateSpecificandDose-DependentmMg2+UptakeIsDose-andTemperature-Dependent
综上得知，可以使细胞内镁离子流动的激活剂是乳酸，但关于乳酸进入细胞以及之后的一系列问题仍然是未知的。
2Mg2+transport——extracellular→intracellular
研究表明，已知单羧酸转运酶（MCT）能够介导细胞膜转运乳酸。在大部分的哺乳动物细胞中，MCT（1-4）被用于跨膜转运乳酸进入细胞（图4）。
图4CentralRoleofLactateInfluencingEnergySubstratePartitioning作者分别用MCT的抑制剂与siRNA来选择性抑制MCT的功能或表达水平，结果都能够抑制乳酸引起的镁离子转运（图5）。这说明MCT介导转运的乳酸进入细胞会导致细胞内的镁离子流动。图5MCT-MediatedLactateEntryTriggersiMg2+Dynamics3Mg2+transport——intracellular→mitochondria为了更精准地感知内质网与线粒体之间的镁离子流动，作者设计了两个分开的Mag-FRET（一种精确度更高的镁离子感受器,图6），分别与内质网的保守序列（KDEL）与线粒体的靶向序列丙氨酸脱氢酶（PDH）-1相结合。图6ConstructionandOperationofMag-FRETtargetingER/mitochondria已知前文提到的Mrs2是一个高表达在线粒体上的镁离子转运蛋白（图1）。作者认为Mrs2有可能介导了乳酸刺激内质网释放镁离子后，线粒体吸收镁离子过程。作者构建了一个Mrs2KO小鼠模型，通过CRISPR/CAS9基因编辑引入过早出现的终止密码子以及Bamh1（限制性内切酶1）剪切位点，进而观察它们与WT小鼠的线粒体功能差别。实验结果表明，在Mrs2KO的小鼠原代细胞中，确实只有线粒体对镁离子的吸收受到了抑制，但内质网对镁离子的外排仍然能够发生。根据Mutagenesis分析（突变分析）亦得知，Mrs2的线粒体膜间结构对乳酸介导的线粒体摄取镁离子至关重要。图7Lactate-InducedERMg2+DepletionandMrs2AreResponsibleforSubsequentmMg2+Uptake
4TheeffectofmMg2+uptakeonmitochondrialfunction
当镁离子顺利地从内质网中释放出来，通过Mrs2进入线粒体后，对线粒体本身的功能会产生怎样的影响呢？实验结果表明，Mrs2KO的小鼠细胞内会有更多以及更长的线粒体，同时，线粒体的氧化磷酸化水平也提高了(图8)。
图8TheeffectofmMg2+uptakeonmitochondrialfunction
5DynamicsofiMg2+inlactate-relatedbiologicalprocesses细胞内的乳酸水平升高与许多临床状况有关，如败血症、缺血、线粒体疾病以及恶性肿瘤等。那么在这些临床疾病背景下，乳酸水平升高是否会引起细胞内镁离子的流动？本次研究中作者采用LPS（Lipopolysaccharide脂多糖，一种内*素）来模拟炎症反应。结果发现，LPS引起乳酸水平升高后，乳酸刺激所引起的线粒体摄取镁离子的过程在Mrs2KO小鼠细胞中被抑制，且Mrs2KO小鼠细胞会抑制LPS引起的氧化磷酸化水平的变化（图9,B）。在小鼠的体内实验中，Mrs2KO细胞能够显著降低LPS引起的炎症反应并降低LPS引起的肾脏功能的破坏，维持体温恒定以及使促炎因子水平下降（图9,P）。图9DynamicsofiMg2+inlactate-relatedbiologicalprocessesDiscussion作者提出，可以进一步研究镁离子在细胞间的流动造成的下游生理结果以及通过细胞内镁离子的稳态紊乱寻找其他疾病的病因。此外，通过“Mrs2KO细胞能够显著降低LPS引起的炎症反应和降低LPS引起的肾脏功能的破坏”是否可以尝试寻找治疗相关疾病的线粒体靶向药物。如果从镁离子下游寻找方向，如果让线粒体中积累的镁离子释放出去，是否可以缓解炎症？Somequestions
1由于镁离子探针的选择性不强，细胞内除了钙离子以外的其他金属阳离子能否被排除。
2乳酸是如何激活内质网外排镁离子，是否具有一个类似传感器的结构。
3镁离子是如何识别并进入线粒体（可能通过识别Mrs2，且Mrs2是否是一个真正的通道，电生理学结构研究还未给出准确的证据）
4镁离子是否真正满足第二信使的条件，根据定义，能将细胞表面受体接受的细胞外信号转换为细胞内信号的物质称为第二信使，对于本研究过程确实符合定义，但对于整个代谢过程是否也有如此重要的作用还需进行更深入的研究。
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