《自然》雜誌:首次揭示組蛋白賴氨酸乳酸醯化(Kla)調控機制

2020-12-05 健康一線視頻網

新聞事件

今天《自然》雜誌發表了芝加哥大學趙英明教授小組的一篇表觀遺傳蛋白修飾文章，首次揭示了組蛋白賴氨酸乳酸醯化(Kla)這個調控機制，並證明其在基因表達，微環境中改變巨噬細胞中的作用。作者首先用一系列化學和生化的方法，確認此修飾在組蛋白中的存在。13C標記實驗表明乳酸醯基來自乳酸，而乳酸來自葡萄糖降解。一系列的實驗證明細胞內源性乳酸的濃度，可以調控該組蛋白修飾的水平。作者以巨噬細胞作為模型初步探索了組蛋白Kla對細胞功能的影響，發現巨噬細胞激活後代謝發生變化、乳酸濃度的提高，進而導致組蛋白Kla水平和基因表達的變化。體外生物化學實驗顯示Kla供體是乳酸醯輔酶，P300純化酶可以催化組蛋白Kla反應。有意思的是，在動物腫瘤模型實驗中，作者發現組蛋白Kla的水平與腫瘤組織內的巨噬細胞乳酸濃度和缺氧相關，並且因此調節從inflammatory M1 表型轉變成anti inflammatory M2 表型。並且這個調節作用依賴於乳酸產生酶，LDHS. 這些結果表明這表觀遺傳學通道在調節免疫細胞功能方面有重要作用。

藥源解析

組蛋白不同位點的化學修飾是表觀遺傳調控的重要機制，甲基化、乙醯化、磷酸化是大家熟知的組蛋白修飾機制。但此前組蛋白的乳酸醯化未知，雖然乳酸是個高濃度代謝產物。因為細胞代謝產物會導致組蛋白賴氨酸乙醯化（Kac），所以作者推測細胞內濃度很高的乳酸也可能導致組蛋白賴氨酸乳酸醯化、並利用質譜技術找到幾個組蛋白降解後的多肽似乎確實有Kla（分子量增加72）。為了證實這個發現，作者化學合成了乳酸醯化組蛋白多肽對照，結果HPLC保留時間、MS/MS圖譜與降解產物一致。識別Kla抗體也證明在細胞中組蛋白賴氨酸確實可以被乳酸醯化。作者在人、小鼠細胞中共發現28個Kla位點。

通過控制乳酸生物合成的酶活性和同位素標記作者發現組蛋白Kla水平與乳酸濃度正相關，這似乎是細胞監測和應對糖酵解產生乳酸變化的一個機制。早就知道缺氧改變細胞代謝模式、誘導糖酵解，作者發現缺氧也增加Kla水平、但對Kac無影響。促炎巨噬細胞M1比抗炎M2亞型更依賴有氧糖酵解，作者發現用LPS激活M1巨噬細胞後糖酵解和乳酸濃度增加、組蛋白Kla水平隨之增加，而且Kla多發生在Kac較低區域。RNA測序發現M1激活後促炎基因表達迅速增加但很快開始恢復正常，而維持組織動態平衡及M2 基因，如傷口癒合的基因（共1223個基因）表達卻穩步增加、並與組蛋白Kla水平高度相關。M0巨噬細胞用滅活革蘭氏陰性菌激活結果類似。作者把這個機制叫做乳酸計時器，巨噬細胞接到命令啟動急性免疫應答的同時已經開始利用Kla通路為收拾殘局做準備。通過改變乳酸供給作者證明乳酸濃度改變在先、Kla變化是結果，但這還不能證明Kla變化是基因表達改變的誘因，有數據表明剛剛獲得諾貝爾獎的HIFa也可能介導這個變化。作者在非細胞環境下通過酶反應乳酸醯化組蛋白，發現確實可以誘導類似基因轉錄。

表觀遺傳蛋白參與調控基因表達，所以直接影響細胞功能。Kla是個全新調控機制，這個工作只考察了巨噬細胞、在其它細胞的作用還有待進一步研究。乳酸因為濃度很高所以是細胞狀態的一個明顯標記物，因此也可能是多種生物過程把脈細胞環境的指標。一個大家熟知的現象是腫瘤中的Warburg效應，即腫瘤組織即使在氧氣充足時也使用效率更低的糖酵解作為能量來源。一個理論認為腫瘤擴張時能量供給不如物料供給更關鍵，而糖酵解可以更高效搜刮生物合成的原材料。因此腫瘤組織乳酸含量大大高於正常組織，可以想像腫瘤細胞可能會利用這個本幫特異信號設計下遊的運作程序。生成、去除、閱讀Kla標記的蛋白因此可能成為新的抗癌靶點，似乎與Kla井水不犯河水的Kac標記已經有多個藥物上市。

這個工作也顯示了質譜技術在蛋白組研究中的威力。這個技術的通量和靈敏度驚人，甚至可以在單細胞水平大規模測量細胞表面的蛋白分布。趙教授是質譜技術分析蛋白組的世界頂級專家，在蛋白修飾領域成就無出其右。腫瘤是異質性具大的疾病。儘管如此，不同癌症最常見的共同特點是the Warburg effect和產生高濃度的乳酸。雖然充分解折這個癌症現象有利於製藥界利用這個癌症代謝型式尋找新的抗癌途徑。表觀遺傳是製藥界高度關注的調控機制，今天這個工作為尋找優質藥靶提供了一個新方向。

原標題：Nature Research Article 報導受癌症和缺氧調控的全新表現遺傳學機理-組蛋白乳酸醯化

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