专家简介
许川，男，主任医师，教授，博士生导师。电子科技大学附属医院·四川省人民医院肿瘤中心副主任、肿瘤研究所所长；四川省“天府峨眉计划”特聘专家；重庆市政府“巴渝学者”称号；四川省科协“海智计划”特聘专家；四川省杰出青年基金获得者；电子科技大学青年人才学术托举工程杰出创新人才。从事肿瘤综合与个体化临床诊疗与转化医学工作，以第一/通讯作者在Nat Immunol、J Clin Invest、PNAS、Cancer Res、Cell Death Differ、Adv Funct Mater、Signal Transduct Target Ther等SCI期刊发表论文40余篇；授权中国专利4项，国际PCT专利1项；先后主持国家自然科学基金5项、国家重点研发计划课题等科研项目10余项。获国家科技进步奖二等奖一项（第四）、中华医学科技奖一等奖一项。
摘要:乳酸是细胞糖酵解的主要代谢产物,在能量供给和信号转导方面发挥重要作用。乳酸在多种疾病的发生、发展中发挥重要作用,还通过抑制免疫细胞、营造免疫抑制性微环境等途径促进多类肿瘤的进展。2019年首次报道的以乳酸为底物的乳酸化修饰参与基因转录调控及蛋白质结构和功能的调节,这为乳酸在生理病理过程中的作用提供了新的见解。本综述回顾性分析了乳酸化修饰的相关研究,并总结了乳酸化修饰的调控机制,组蛋白乳酸化位点及其在干细胞和胚胎发育、炎症、肿瘤等疾病发展过程中的调控作用,和各非组蛋白乳酸化位点及其在生理病理中的作用。最后,我们总结了部分乳酸化修饰研究中尚未解决的问题。乳酸化修饰参与多种疾病的发生发展,靶向乳酸化或许能作为临床治疗相关疾病的策略之一。然而,目前乳酸化修饰的调控机制及其在疾病发生发展中的调节作用尚不完全清晰,靶向乳酸化修饰仍处于理论阶段,还需行进一步机制探索,开展临床前研究,以期为治疗乳酸化修饰相关疾病提供新思路。
乳酸是糖酵解代谢中重要代谢产物之一,既可作为代谢的能量来源和主要的糖异生前体,还被证实作为信号分子调节细胞内的信号转导[1]。代谢过程中,葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白进入细胞,在己糖激酶(hexokinase,HK)、磷酸果糖激酶-1(phosphofructokinase-1,PFK-1)和丙酮酸激酶(pyruvate kinase,PK/PYK)等关键酶催化作用下,生成丙酮酸。丙酮酸在有氧条件下经丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase,PDH)催化生成乙酰辅酶A(acetyl coenzyme A,acetyl-CoA),并进入三羧酸循环,氧化磷酸化产生ATP;在无氧条件下,经乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)催化生成乳酸。1956年,Warburg发现在有氧条件下,肿瘤细胞仍可利用葡萄糖产生大量乳酸,即有氧糖酵解,也被称为Warburg效应[2]。
乳酸在单羧酸转运蛋白(monocarboxylate trans-porters,MCTs)协助下穿梭于肌床内白色肌纤维和红色肌纤维、骨骼肌和心脑等器官及星形胶质细胞和神经元之间进行能量传递[1,3-4]。以葡萄糖作为主要能量来源的糖酵解型癌细胞生成大量乳酸,并通过MCT4将乳酸释放到肿瘤微环境(tumor microenvironment,TME)中;氧化型癌细胞通过MCT1摄取TME中的乳酸,并将其作为三羧酸循环的能量来源[5]。此外,肿瘤细胞产生的大量乳酸通过MCT4释放到TME后能够通过多条通路抑制免疫细胞的正常功能,导致肿瘤免疫逃逸。常见的通路包括:①抑制T细胞抗原受体(T-cell antigen receptor,TCR)触发的IFN-γ、TNF-α、IL-2的产生及p38蛋白磷酸化来损害细胞毒性T细胞的功能[6];②抑制200kDa的FAK家族相互作用蛋白(FAK family-interacting protein of 200 kDa,FIP200)转录,从而减少microRNA1198-5p表达,增强BCL2拮抗/杀伤因子(BCL2 antagonist/killer,Bak)表达,最终导致幼稚T细胞凋亡[7];③抑制NK细胞中活化T细胞核因子(nuclear factor of activated T cells,NFAT)活化,从而减少IFN-γ生成[8]。最新研究发现,乳酸能够作为翻译后修饰(post-translational modifications,PTM)底物,通过乳酸化来调控基因的表达和功能。乳酸化修饰主要发生在组蛋白和非组蛋白上的赖氨酸位点,组蛋白的乳酸化修饰通过影响染色质结构、转录因子的结合等调节基因的转录;非组蛋白的乳酸化修饰通过影响蛋白质的稳定性、活性、定位等调节蛋白质功能。本文就蛋白质乳酸化修饰的机制及其在各种疾病中的调节作用进行综述,重点介绍蛋白质各位点乳酸化的作用,以期为靶向乳酸化的疾病治疗提供新视野。
1乳酸化的发现
Zhang D等[9]发现在肿瘤细胞和巨噬细胞中存在以乳酰辅酶A(lactyl-CoA)为底物的乳酸化酶促反应,并提出组蛋白乳酸化修饰可以通过表观遗传机制调控基因转录。作者使用高效液相色谱-串联质谱分析人乳腺癌MCF-7细胞的3种核心组蛋白(H2B、H3、H4)水解肽发现,组蛋白的赖氨酸残基上有72.021Da的质量偏移,与在赖氨酸残基的ε氨基添加乳酰基引起的质量偏移相同,因此推测组蛋白赖氨酸上发生了乳酸化修饰。通过免疫印迹实验证实了细胞中组蛋白的乳酸化修饰;并抑制或激活糖酵解途径,通过同位素标记的葡萄糖(U-13C6)和同位素标记的乳酸(13C3)确证了组蛋白赖氨酸乳酸化来源于细胞内糖酵解[9]。此外,在心肌梗死早期模型和缺氧性肺动脉高压模型中,单核细胞和内皮细胞由于代谢模式转化导致的乳酸堆积能够增加组蛋白乳酸化水平[10-12]。Gaffney DO等[13]则发现,在组蛋白和非组蛋白上存在以乳酰谷胱甘肽(lactoylglutathione,LGSH)为底物的非酶促乳酸化反应,且乳酸化修饰的蛋白质主要富集在糖酵解通路。
2乳酸化修饰调控机制
乳酸化修饰是蛋白质酰化修饰的一种,其过程可分为酶促和非酶促依赖[14](图1)。
酶促依赖的酰化修饰过程中,“writer”(修饰酶)将酰基CoA中的酰基基团添加到赖氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、丝氨酸或其他氨基酸残基侧链上,被“reader”(修饰结合酶)所识别。氨基酸残基上的酰基基团还能够被“eraser”(去修饰酶)识别和调控[15]。目前研究发现,酶促依赖的乳酸化修饰受到经典的组蛋白乙酰基转移酶(histon eacetyltransferase,HAT)家族成员p300/环磷酸腺苷反应元件结合蛋白(CREB-binding protein,CBP)动态调控。在人胚胎肾细胞[9]、小鼠骨髓来源巨噬细胞[16]和肿瘤浸润髓系细胞[17]中敲低或抑制p300时,组蛋白乳酸化水平显著降低。进一步实验发现,抑制巨噬细胞p300/CBP乙酰化酶活性或沉默p300或CBP表达,能够显著减弱乳酸诱导的细胞质中高迁移率族蛋白1(high mobility group box 1,HMGB1)乳酸化水平[18]。眼黑色素瘤细胞中,p300调节YTHDF2启动子区域乳酸化修饰,从而促进YTHDF2表达[19]。除p300/CBP外,其他调控乳酸化的酶包括组蛋白乙酰基转移酶广泛控制氨基酸合成5(general control of amino-acid synthesis 5,GCN5)[10]、GCN5相关N-乙酰转移酶(GCN5-related N-acetyltransferase,GNAT)家族蛋白YiaC[20]、NAD依赖性蛋白脱乙酰酶CobB[20]、Ⅰ类组蛋白去乙酰化酶1-4(histone deacetylase 1-4,HDAC1-4)[20-22]和Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶1-3(silent information regulator 1-3,SIRT1-3)[21,23]。
非酶促依赖的乳酸化修饰研究较少,Gaffney DO等[13]通过体外实验验证了蛋白质非酶促依赖的乳酸化修饰。糖酵解副产物甲基乙二醛(methylglyoxal,MGO)在乙二醛酶1(glyoxalase 1,GLO1)作用下与谷胱甘肽(glutathione,GSH)结合生成LGSH;LGSH被GLO2催化水解,生成的GSH继续参与上述循环,同时生成D-乳酸。通过合成了乳酸化赖氨酸标准品,并将纯化的组蛋白H4分别与MGO或LGSH共孵育,发现当与LGSH共孵育时,乳酰赖氨酸水平显著增加,证实了乳酰基从LGSH到赖氨酸残基的直接转移。以PGK1为底物进行重复实验证实了这一发现,其K94位点可发生乳酸化修饰[13]。GLO2敲除及化学探针(alkyne-tagged MGO analog,alkMGO)实验证实了细胞中乳酸化修饰依赖于LGSH、GLO2调控[13]。
总的来说,酶促依赖的乳酸化修饰调控主要依赖组蛋白乙酰化酶和去乙酰化酶催化作用,且酰化修饰结合酶可能也参与了乳酸化修饰,但机制尚不明确。非酶促依赖乳酸化修饰的研究则相对较少,仍需进一步探索。
3乳酸化修饰位点
3.1组蛋白乳酸化修饰位点 不同研究组对不同物种中组蛋白乳酸化位点进行了鉴定,发现主要修饰位点为组蛋白H2A、H2B、H3和H4的赖氨酸(表1)。已明确乳酸化修饰调节功能的位点包括H3K9、H3K18、H3K23、H3K56、H4K8、H4K12。
3.1.1H3K18位点乳酸化修饰研究最为广泛的位点是H3K18,其主要通过促进基因的转录,参与调节干细胞及胚胎发育、巨噬细胞极化、肿瘤发生发展等生理、病理过程。
GLIS家族锌指1(GLIS family zinc finger 1,Glis1)是除经典的Yamanaka因子及Nanog同源框(nanog homeobox,Nanog)和Lin-28同源物(Lin-28 homolog,Lin28)外新近发现的重编程因子,能够通过触发的表观基因组-代谢组-表观基因组级联反应促进多能性转化[36]。Glis1通过与体细胞基因和糖酵解基因启动子结合,分别抑制和促进靶基因表达,从而导致细胞从氧化磷酸化到糖酵解的代谢重塑,通过增强组蛋白乙酰化(H3K27ac)和乳酸化(H3K18la),促进多个干细胞相关基因的表达,提高重编程细胞率[36]。泛组蛋白乳酸化、H3K18la和H3K23la水平在卵母细胞和植入前胚胎中均较高,在囊胚期胚胎中达到最高水平,表明组蛋白乳酸化参与胚胎植入前发育过程[30]。进一步实验发现,启动子区域H3K18la增加可促进种系基因及卵裂期胚胎基因转录延伸,从而有助于调节胚胎植入前发育[37]。先兆子痫患者胎盘的高乳酸通过增强H3K18la诱导纤维化相关基因纤连蛋白1(fibronectin1,FN1)和纤溶酶原激活物抑制剂1(serpinfamily E member 1,SERPINE1)的表达,促进胎盘纤维化[38]。此外,绵羊孕体糖酵解增强可通过诱导启动子区域H3K18la调节子宫内膜中与氧化还原稳态、细胞凋亡、细胞增殖、细胞黏附和免疫耐受等相关基因的表达,重塑子宫内膜容受性,以确保胚胎成功植入[31]。
H3K18la可参与巨噬细胞极化。抗炎M2型巨噬细胞以氧化磷酸化和脂肪代谢为主,而促炎M1型巨噬细胞则以糖酵解代谢为主,导致大量乳酸累积[39]。研究发现,在细菌感染条件下,H3K18la在精氨酸酶1(arginase-1,Arg1)、血管内皮生长因子α(vascular endothelial growth factor α,VEGFα)等M2样基因启动子区域的富集会增强基因的表达,促进极化后期M1型巨噬细胞向M2型的转化,防止炎症带来的附加损伤[9]。同样,脓毒症休克患者的外周血单核细胞中H3K18la表达与Arg1mRNA水平呈正相关[40]。在小鼠腹膜炎模型和溃疡性结肠炎小鼠的巨噬细胞中,甲基磺酰甲烷(methyl sulfonyl methane,MSM)和酵母通过提高组蛋白H3K18la水平,促进M2型巨噬细胞标志物(如Arg1)的表达[41-42]。B细胞磷酸肌醇3-激酶衔接蛋白(B-cell adapter for PI3K,BCAP)通过组蛋白H3乳酸化促进巨噬细胞由炎症状态向修复状态的转变,帮助组织修复和伤口愈合[43]。此外,组蛋白H3乳酸化还可与组蛋白乙酰化协同促进NF-κB和STAT6转录,诱导M1型巨噬细胞促炎分化和M2型巨噬细胞抗炎分化[44]。然而,Dichtl S等[45]发现,尽管脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)诱导BMDM组蛋白乳酸化及Arg1表达增加,但乳酸化和Arg1表达并无直接相关性。Arg1的表达由依赖于髓样分化因子88(myeloid differentiation factor 88,Myd88)的IL-6通过IL-6R和转录激活因子3(signal transducers andactivators of transcription 3,Stat3)信号转导进行调节[45]。鉴于上述研究结果之间的争议,乳酸化修饰和巨噬细胞极化及Arg1表达之间的关系及其调节机制仍需进一步探索。
H3K18la参与肿瘤发生发展。人眼黑色素瘤中,富集在YTHDF2启动子处的H3K18la促进了其表达,YTHDF2识别周期性调节因子1(period circadian regulator 1,PER1)和肿瘤蛋白p53(tumor protein p53,TP53)mRNA的m6A修饰促进其降解,诱导肿瘤的发生[19]。在肾透明细胞癌中,VHL失活以缺氧诱导因子(hypoxia inducible factor,HIF)依赖性方式诱导血小板衍生生长因子受体β(platelet-derived growth factor receptor β,PDGFRβ)启动子区域的H3K18乳酸化,从而激活其基因转录;PDGFRβ信号可进一步刺激H3K18la,从而形成致癌正反馈回路[46]。在膀胱癌中,circXRN2通过与斑点型POZ(speckle-type POZ,SPOP)结合,抑制LATS1泛素化降解,激活Hippo信号通路,通过抑制脂质运载蛋白2(lipocalin-2,LCN2)启动子H3K18乳酸化,抑制其转录表达,从而遏制肿瘤生长和转移[47]。结直肠癌(colorectal cancer,CRC)中,自噬增强基因RUBCNL/Pacer启动子区域H3K18乳酸化促进其转录,通过与苄氯素1(recombinant beclin 1,BECN1)相互作用介导Ⅲ类磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol 3-kinase,PtdIns3K)复合物募集,促进自噬体成熟,增强对贝伐珠单抗的耐药性[48]。前列腺癌及肺腺癌中,Numb与Parkin结合促进后者稳定与激活,启动线粒体自噬通路。干扰Numb/Parkin通路导致线粒体自噬通路受阻及代谢重编程,乳酸积累促进H3K18乳酸化修饰和神经内分泌相关基因转录,进而导致腺癌的神经内分泌分化[49]。TME中的乳酸通过增加肿瘤浸润巨噬细胞中甲基转移酶样3(methyltransferase like 3,METTL3)启动子区域H3K18la水平,诱导METTL3表达;通过促进METTL3的靶向识别结构域K281和甲基转移酶结构域K345的乳酸化修饰,增强其捕获RNA能力,进一步通过m6A阅读器蛋白YTHDF1促进JAK1mRNA翻译及下游STAT3磷酸化,增强TIM的免疫抑制功能,导致肿瘤的进展[17]。
H3K18la还参与其他生理病理过程。成骨细胞内JunB启动子区域H3K18la水平增加可促进其转录,诱导成骨细胞分化[50]。内皮细胞糖酵解增强也可通过H3K18乳酸化促进成骨相关基因表达,促进骨间充质干细胞向成骨细胞的分化[51]。Tfap2α是一种序列特异性DNA结合蛋白,其过表达使GV期卵母细胞染色质松弛,破坏减数分裂过程中的染色体排列和纺锤体组装,并伴有总蛋白、H3K18和H4K12的乳酸化水平升高,最终加速生发泡破裂和极体排出受损,阻碍卵母细胞的成熟[35]。HIF-1α靶基因骨形态发生蛋白5(bone morphogenetic protein,Bmp5)、转化受体电压阳离子通道亚家族C成员5(transient receptor potential cation channel,subfamily C,member 5,Trpc5)和Kit原癌基因(C-kitproto-oncogene,Kit)启动子区域的H3K18乳酸化,促进了肺动脉平滑肌细胞的增殖,加剧缺氧性肺动脉高压[11]。乳酸可通过H3K18位点乳酸化促进与细胞黏附、迁移和伤口愈合过程相关基因的表达,从而激活肝星状细胞,改善肝纤维化[52]。Rela(p65)和NF-κB1(p50)启动子区域H3K18乳酸化,增强NF-κB信号,从而上调衰老相关分泌因子IL-6和IL-8,促进大脑衰老和阿尔茨海默病(Alzheimer’sdisease,AD)[53]。
3.1.2其他组蛋白乳酸化位点除H3K18外,已报道有调节功能的组蛋白乳酸化位点包括H3K9、H3K14、H3K23、H3K56、H4K5、H4K8、和H4K12。乳酸可促进Neu2启动子区域H3K9乳酸化从而增加其表达,促进肌细胞分化[54]。蜂王浆酸通过抑制糖酵解/糖异生相关通路干扰乳酸的产生,抑制H3K9和H3K14位点乳酸化,从而抑制肝癌细胞增殖和迁移并促进其凋亡[55]。肝癌干细胞内乳酸诱导组蛋白H3K9和H3K56位点乳酸化及细胞周期相关蛋白表达,刺激细胞增殖从而促进肝癌进展[29]。急性髓系白血病中STAT5高表达导致乳酸积累,从而促进E3结合蛋白(E3-binding protein,E3BP)核易位,促进H4K5乳酸化,最终诱导PD-L1转录,导致免疫抑制[56]。非小细胞肺癌细胞中,乳酸增加H4K8la水平,上调HK-1表达,下调异柠檬酸脱氢酶3γ(isocitrate dehydrogenase three non-catalytic subunit gamma,IDH3G)表达,减弱葡萄糖摄取和糖酵解,维持线粒体稳态[32]。肠道致病菌的LPS通过上调LINC00152启动子区域H4K8la,并降低转录因子YY1与启动子结合的效率来诱导LINC00152表达,从而抑制沙门氏菌入侵和炎症反应,增加了CRC细胞的迁移和侵袭[33]。在AD患者脑标本和模型小鼠脑组织的Aβ斑块周围的小胶质细胞中,H4K12la显著富集于糖酵解相关基因启动子区域并诱导其转录,进一步促进乳酸的生成,由此形成“代谢-表观-代谢”正反馈调控环路,加剧小胶质细胞糖代谢紊乱和功能障碍[34]。
综上,乳酸能够通过修饰组蛋白不同位点促进基因转录,从而参与多种生理疾病过程,但具体调控机制仍需进一步探索。
3.2非组蛋白乳酸化修饰位点 乳酸化位点及乳酸化蛋白富集通路分析证明了乳酸化修饰在生物体中的广泛存在,并且可能会极大程度影响蛋白质功能及生物代谢,参与巨噬细胞分化、肿瘤发展及其他生理病理过程(表2)。
糖酵解途径关键酶M2型丙酮酸激酶(M2-pyruvate kinase,PKM2)能够以低/无活性的二聚体和单体易位至细胞核,调控基因表达。乳酸通过促进对PKM2蛋白K62位点乳酸化,抑制其从四聚体到二聚体的转变,增强其激酶活性及减少其在细胞核内的分布[62]。PKM2的激活抑制了糖酵解,并促进LPS诱导的巨噬细胞Arg1表达,降低诱导型一氧化氮合成酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)表达,促进促炎巨噬细胞向修复表型的转变[62]。胃癌中高水平的乳酸化与肿瘤更高的分期、更低的分化程度及不良的预后相关,蛋白质乳酸化水平可能是胃癌的预后生物标志物[67]。进一步研究发现,铜离子可通过调控去乙酰化酶SIRT2和乳酰转移酶AARS1/AARS2促进METTL16K229乳酸化从而增加METTL16活性;METTL16可促进铁氧化还原蛋白1(ferredoxin 1,FDX1)mRNA的m6A修饰增加其积累,从而促进胃癌铜死亡[61]。在CRC中,前蛋白转化酶枯草溶菌素9(proprotein convertase subtilisin/kexin 9,PCSK9)敲低导致乳酸、蛋白质乳酸化和巨噬细胞迁移抑制因子(macrophage migration inhibitory factor,MIF)水平降低,从而促进M1型巨噬细胞极化,抑制M2型巨噬细胞极化[68]。乳酸刺激巨噬细胞中HMGB1乳酸化,促进其从细胞核易位到细胞质,并通过外泌体释放。乳酸化/乙酰化的HMGB1通过降低血管内皮钙黏着蛋白(vascular endothelial cadherin,VE-cadherin)和密封蛋白5(claudin 5)水平和增加细胞间黏附分子-1(intercellular adhesion molecule,ICAM1)水平,破坏内皮完整性并增加血管通透性,从而促进脓毒症发展[18]。缺氧诱导β-catenin乳酸化,增加其蛋白稳定性,促进CRC细胞的生长和干性[57]。催化ATP与AMP末端磷酸基可逆生成ADP的关键酶腺苷激酶2(adenylate kinase 2,AK2)蛋白K28位点的乳酸化能抑制其酶活性,导致能量代谢紊乱,促进肝癌细胞的增殖和转移[58]。此外,乳酸可以增加膜突蛋白(membrane-organizing extension spike protein,MOESIN)蛋白中的K72位点乳酸化水平,通过I型TGF-β受体增强Treg细胞中的TGF-β信号转导,从而调节Treg细胞的功能,促进肿瘤发生[59]。
Maschari D等[69]在人类骨骼肌中首次证明了乳酸化修饰存在,并提出乳酸化水平与胰岛素抵抗呈正相关。动物实验结果显示乳酸化修饰的眼部蛋白质随着海拔增高而增加[70]。乳酸化还参与Catalpol对AD的神经保护作用,但其具体机制仍需要深入研究[71]。在脑缺血再灌注损伤大鼠模型中,Ca2+信号通路中关键蛋白SLC25A4和SLC25A5在蛋白K245和K96的乳酸化增加,而电压依赖性阴离子通道蛋白1(voltage-dependent anion channel 1,VDAC1)K20及K266的乳酸化减少,表明乳酸化修饰可能通过影响Ca2+信号通路关键蛋白介导神经元死亡[72]。此外,糖酵解产生的乳酸通过乳酸化修饰淋巴细胞胞浆蛋白1(lymphocyte cytosolic protein 1,LCP1)维持其蛋白稳定性,促进脑梗死进展[63]。IKZF1K164位点乳酸化通过分别激活Runx1和Tlr4和抑制IL-2和IL-4转录,促进TH17分化,从而促进自身免疫性葡萄膜炎进展[65]。心力衰竭时心肌细胞内乳酸水平显著降低,导致α-MHCK1897乳酸化水平降低,从而减弱α-MHC和肌联蛋白相互作用,加重心力衰竭[66]。线粒体丙酮酸载体1(mitochondrial pyruvate carrier 1,MPC1)可以通过抑制脂肪酸合酸(fatty acid synthase,FASN)MAT亚基的K673位点乳酸化增加其活性,从而促进非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)患者的肝脂沉积[64]。PykF K382位点乳酸化修饰可抑制其变构活化,降低糖酵解通量[20]。Wan N等[60]发现乳酸化修饰高度富集在糖酵解代谢酶上,且K147的乳酸化修饰可降低果糖二磷酸醛缩酶(fructose-bisphosphate aldolase,ALDOA)活性。由此研究者提出了一个负反馈循环:当糖酵解途径过度激活并产生过多乳酸时,乳酸化修饰抑制ALDOA活性,从而导致糖酵解通量下降[60]。
4乳酸化与其他PTM相互作用
多种微生物中的HMGB1可发生乳酸化和乙酰化修饰,参与脓毒症发展[18]。Sun Y等[24]发现乳酸化和乙酰化可发生在PARP1自修饰结构域的相同残基上,乳酸化可能会竞争性抑制PARP1乙酰化,从而恢复PARP1的ADP核糖基转移酶活性,并促进DNA修复,协同调节多能基因的表达[36]。这些研究证明乳酸化和乙酰化能对蛋白质进行共修饰,从而参与机体代谢过程,可能是由于2种酰化修饰的修饰酶和去修饰酶一样,但其选择机制尚不清晰。乳酸在细胞质中产生,乙酰辅酶A在线粒体中产生,因此乙酰转移酶或许可以根据相应代谢物的可用性选择修饰赖氨酸残基的PTM类型,具体竞争和协调调节机制仍需进一步研究。
其他酰化修饰也与乳酸化存在相互作用。灰霉菌的83种蛋白质上的143个位点被同时检测出乳酸化、巴豆酰化和2-羟基异丁酰化,表明多个PTM可发生在同一个赖氨酸残基上,并可相互协调以调节多种蛋白质的功能[26]。水稻谷粒中60%、33%、29%和25%的乳酸化蛋白同时具有2-羟基异丁酰化、琥珀酰化、乙酰化和丙二酰化修饰,其中49种蛋白质同时被5种类型的酰化共修饰[28]。此外,在catalpol治疗的乳腺癌中,乙酰化、2-羟基异丁酰化和乳酸化显著增加,而琥珀酰化、丙二酰化和磷酸化显著减少,说明catalpol可能通过调节不同类型PTM进而抑制乳腺癌的进展[73]。这些实验证明了各种修饰间相互作用的普遍可能性,多种修饰间潜在的协同或竞争关系对蛋白质功能的调控也值得深入探索。
5总结与展望
乳酸是糖酵解代谢的中间产物,也是重要的调节因子,在肿瘤免疫微环境、肿瘤耐药、炎症疾病和免疫稳态调节等过程中发挥重要作用。以乳酸为底物的乳酸化修饰的发现,及其在多种疾病发生发展过程中的功能和调节机制的研究,为解释乳酸对人类生理病理过程的影响机制提供了新思路。尽管已有部分关于乳酸化修饰的调控机制、乳酸化位点及其作用、与其他PTM相互作用等的研究,但总体而言,整个蛋白质乳酸化修饰研究尚处于起步阶段,许多关键问题仍待深入探索,包括:第一,乳酸化是否发生在赖氨酸以外的氨基酸残基上;第二,乳酸化修饰是否是乳酸堆积的必然结果,结束乳酸化修饰的信号尚未可知;第三,调节乳酸化的修饰结合酶和去修饰酶仍有待研究;第四,乳酸化修饰在疾病发生发展中的调节作用及其对蛋白质功能的影响机制尚不清晰;第五,乳酸化与其他PTM相互作用机制,及不同疾病中的乳酸化与其他PTM比例是否影响预后仍需继续探索。
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