解析乳酸化修饰调控机制

乳酸化修饰是近几年来戳手可热的蛋白翻译后修饰之一。长期以来，乳酸一直被视为葡萄糖无氧糖酵解产生的代谢废物，与缺氧和疲劳相关。然而，乳酸化修饰的发现彻底改变了这一认知，证明乳酸是一个重要的信号分子和表观遗传调控因子，直接将细胞的代谢状态与基因表达和蛋白质功能联系起来。

乳酸化修饰调控机制

乳酸化修饰主要分为两种类型：

组蛋白乳酸化：主要发生在组蛋白（如H3、H4）上。通过改变染色质的结构和开放性，激活或抑制下游基因的转录。其中，H3K18la（组蛋白H3第18位赖氨酸乳酸化）和H4K12la是研究最广泛、最重要的位点。

非组蛋白乳酸化：发生在组蛋白以外的蛋白质上，其作用更为广泛和直接。通过对代谢酶、转录因子、DNA损伤修复蛋白等关键调控蛋白进行修饰，直接改变它们的活性、稳定性、亚细胞定位以及与其他蛋白的相互作用，从而影响细胞命运。

乳酸化修饰调控机制：

乳酸化是一个动态可逆的过程，由一系列特定的酶和代谢物精确调控，类似于一个复杂的"开关"系统。

底物的产生：乳酸

- 乳酸化的发生首先依赖于细胞内乳酸的积累。这主要源于有氧糖酵解的增强（如肿瘤细胞的瓦博格效应）或在缺氧等应激条件下产生。

- 乳酸存在L-乳酸和D-乳酸两种异构体。L-乳酸主要来源于糖酵解，是酶促乳酸化的主要底物；而D-乳酸则主要来自乙二醛酶通路，可通过非酶促方式介导乳酸化。

- 乳酸需要被转化为乳酰辅酶A才能被大多数"书写器"使用。近期的研究突破性地发现了GTPSCS和ACSS2这两种乳酰辅酶A合成酶，它们分别在细胞核内催化乳酰辅酶A的生成。

"书写器"：添加乳酸化标记

- 这类酶负责将乳酰基团添加到赖氨酸上。已发现的"书写器"大多与传统乙酰化修饰的酶相同或相似，主要包括p300/CBP（目前研究最透彻）、KAT2A、HBO1、TIP60等。

- 值得注意的是，AARS1（丙氨酰-tRNA合成酶1）被发现可以不依赖乳酰辅酶A，直接利用乳酸和ATP生成乳酰-AMP，从而催化底物蛋白的乳酸化，这为乳酸化修饰提供了全新的途径。

"擦除器"：移除乳酸化标记

- 这类酶负责去除蛋白质上的乳酸化修饰，使其恢复到原始状态。

- 目前已知的"擦除器"主要是组蛋白去乙酰化酶家族，包括HDAC1-3（锌依赖型）和SIRT1-3（NAD+依赖型）。例如，HDAC1-3被证实具有高效的"去乳酸化"活性，而SIRT3对H4K16la位点有较强的清除作用。

"阅读器"：识别并执行功能

"阅读器"是一类能够特异性识别乳酸化修饰信号，并招募下游效应分子或引发特定生物学功能的蛋白质。目前对乳酸化"阅读器"的研究相对较少，但已发现BRD4（溴结构域蛋白4）和Brg1等可能扮演这一角色，它们参与调控基因转录和细胞重编程。

图 1组蛋白乳酸化和非组蛋白乳酸化修饰机制示意图

乳酸化修饰对疾病的影响

乳酸化修饰因其连接代谢与基因表达的核心位置，广泛参与了多种疾病的发生、发展和治疗耐药过程。

- 肿瘤

促进增殖与转移：乳酸化可激活促癌信号通路。例如，在胶质母细胞瘤中，H3K18la激活Wnt/β-catenin和NF-κB通路，促进肿瘤细胞增殖。在宫颈癌中，DCBLD1蛋白的乳酸化激活了磷酸戊糖途径，为癌细胞提供更多的合成原料。

重塑免疫微环境：乳酸化是肿瘤实现免疫逃逸的关键手段之一。肿瘤细胞高表达LDHA，导致乳酸堆积，进而通过H3K18la上调PD-L1的表达，抑制T细胞的抗肿瘤活性。此外，乳酸化还能促进免疫抑制性的调节性T细胞增殖，并诱导肿瘤相关巨噬细胞向促肿瘤的M2型极化。

诱导血管生成：乳酸化能促进血管生成因子的表达。例如，YY1转录因子的乳酸化上调FGF2的表达，而HIF-1α的乳酸化则促进VEGF和KIAA1199的转录，共同促进肿瘤新生血管的形成。

导致治疗耐药：乳酸化是肿瘤对化疗、放疗和免疫治疗产生耐药的重要原因。在膀胱癌中，H3K18la激活与顺铂耐药相关的转录因子，增强DNA损伤修复。在胃癌中，DNA修复蛋白NBS1的乳酸化促进了MRN修复复合物的形成，导致对顺铂耐药。这些发现将乳酸化定位为一个极具潜力的治疗靶点，如联合使用LDH抑制剂或靶向乳酸化相关酶类（如ACSS2），有望逆转肿瘤耐药。

图 2 组蛋白和非组蛋白的乳化作用在癌症中的作用

- 神经系统疾病

阿尔茨海默病：在小胶质细胞中，Aβ斑块周围存在一个"糖酵解/H4K12la/PKM2"的正反馈回路，加剧了神经炎症和Aβ沉积。此外，tau蛋白的乳酸化会引发铁自噬和铁死亡，导致神经元损伤。

其他：在脑缺血再灌注损伤中，乳酸化参与调控神经元的凋亡、焦亡和铁死亡。在精神分裂症模型中，糖酵解增强和乳酸化水平升高被认为与神经元损伤有关。

- 心脑血管疾病

动脉粥样硬化：乳酸化在其中扮演了复杂而矛盾的角色。内皮细胞中MECP2的乳酸化能抑制炎症，稳定斑块；而血管平滑肌细胞中H4K12la的乳酸化则会诱导细胞衰老，加速斑块进展。

缺血性脑卒中：乳酸化修饰加剧了缺血后的神经炎症。例如，cGAS蛋白的乳酸化会促进小胶质细胞向促炎的M1型极化，加重脑损伤。

- 其他疾病

炎症与免疫：乳酸化是调控巨噬细胞极化的关键。在感染早期，它促进促炎的M1型极化以清除病原体；在后期，则可诱导向修复性的M2型转变，促进组织修复。

代谢性疾病：在糖尿病肾病中，乳酸化水平显著升高，导致线粒体功能障碍。在肥胖模型中，下丘脑POMC神经元中Fam172a介导的乳酸化参与调控能量平衡。

发育异常：研究发现，牙龈卟啉单胞菌的感染可通过乳酸化修饰影响胚胎腭部间充质干细胞的功能，从而导致腭裂的发生。