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国自然热捧！乳酸化机制大起底——乳酸化调控蛋白-分子互作

2024-09-18

中科新生命

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我们在前面介绍奥斯卡DIA乳酸化组的文章中提到过，乳酸化的作用机制中，组蛋白上的乳酸化是通过表观遗传途径发挥调控作用，而非组蛋白上的乳酸化是通过修饰导致的空间位阻、构象改变和电荷中和等方式调节蛋白质功能，最终通过影响蛋白的分子互作、稳定性、亚细胞定位、酶活性等影响蛋白质的功能，进而发挥调控作用。

那么，大家一定关心通过奥斯卡DIA乳酸化组找到并锁定了和研究相关的差异乳酸化位点后，如何开展后续的机制挖掘。如果是组蛋白乳酸化，其作用机制是调控基因表达，后续研究思路是很清晰和明确的，不再过多赘述。但非组蛋白上的乳酸化作用机制就比较多样。接下来，我们通过几期小课堂分享非组蛋白乳酸化调控蛋白功能的案例，为大家挖掘非组蛋白乳酸化机制提供一些启发。首期，我们关注乳酸化调控蛋白-分子互作。

乳酸化调控蛋白-分子互作研究案例

案例一：

乳酸化和化疗抗性：MRE11 K678乳酸化促进其与DNA结合，促进DNA末端切除和同源重组（HR），增强肿瘤细胞化疗抗性

本研究证明了一个重要的同源重组(HR)蛋白MRE11在K678位点被CBP乙酰转移酶乳酸化并响应DNA损伤。MRE11的乳酸化促进其与DNA结合，促进DNA末端切除和HR。抑制CBP或LDH下调MRE11的乳酸化，阻碍HR，增强患者来源的异种移植瘤和类器官模型中肿瘤细胞的化疗敏感性。特异性阻断 MRE11 乳化作用的细胞穿透肽可抑制 HR 并使癌细胞对顺铂和 PARPi 敏感。这些发现揭示了乳酸化作为HR的关键调节因子，为细胞代谢与双链断裂（DSB）修复之间的联系提供了新的见解。本研究还提示Warburg效应可以通过增强HR获得化疗抗性，并提出了针对MRE11乳酸化的潜在治疗策略来减轻这种影响。

案例二：

乳酸化和心衰：α-肌球蛋白重链(α-MHC) K1897发生乳酸化，以调节α-MHC与Titin蛋白的相互作用，维持心脏结构

α-肌球蛋白重链(α-MHC)与Titin的相互作用对心脏结构和收缩至关重要。本研究发现α-MHC在K1897位发生乳酸化修饰，以调节α-MHC与Titin的相互作用。在α-MHC K1897R突变小鼠中，K1897乳酸化缺失会降低α-MHC-Titin相互作用，导致心脏结构和功能受损。P300和Sirtuin 1分别作为α-MHC的乳酰转移酶（Writer蛋白）和去乳酸化酶（Eraser蛋白）。通过乳酸钠干预或抑制心肌细胞中关键乳酸转运蛋白上调乳酸浓度可促进α-MHC K1897的乳酸化和α-MHC-Titin相互作用，从而减轻心力衰竭。综上所述，心脏代谢通过α-MHC的乳酸依赖性修饰直接调节肌节结构和功能，为心力衰竭提供了的新治疗策略。

案例三：

乳酸化和肿瘤治疗抗性：乳酸积累导致XRCC1 K247乳酸化并增强其和importin α蛋白的结合进而易位至细胞核，增强DNA修复，赋予肿瘤治疗抗性

高表达ALDH1A3的胶质母细胞瘤(ALDH1A3^hi GBM)患者术后放化疗的获益有限。了解这些患者的耐药机制对于开发新的治疗方法至关重要。本研究发现ALDH1A3和PKM2之间的相互作用增强了后者的四聚体化，促进了胶质母细胞瘤干细胞(GSC)中的乳酸积累。通过检测GSC的乳酸化蛋白质组，研究者发现XRCC1 K247发生了乳酸化。乳酸化的XRCC1对importin α具有更强的亲和力，增加XRCC1的核易位，进而增强DNA修复。本研究后续筛选到了一个小分子D34-919能有效地破坏ALDH1A3-PKM2相互作用，阻止ALDH1A3介导的PKM2四聚化。D34-919治疗可增强放化疗诱导的GBM细胞凋亡。

其他乳酸化调控蛋白-分子互作的案例

蛋白-蛋白互作：

Duan Y, Zhan H, Wang Q, et al. Integrated Lactylome Characterization Reveals the Molecular Dynamics of Protein Regulation in Gastrointestinal Cancers. Adv Sci (Weinh). Published online July 17, 2024. doi:10.1002/advs.202400227

蛋白-蛋白互作：

Chen H, Li Y, Li H, et al. NBS1 lactylation is required for efficient DNA repair and chemotherapy resistance. Nature. 2024;631(8021):663-669. doi:10.1038/s41586-024-07620-9

蛋白-RNA互作：

Xiong J, He J, Zhu J, et al. Lactylation-driven METTL3-mediated RNA m6A modification promotes immunosuppression of tumor-infiltrating myeloid cells. Mol Cell. 2022;82(9):1660-1677.e10. doi:10.1016/j.molcel.2022.02.033

蛋白-RNA互作：

Yang L, Niu K, Wang J, et al. Nucleolin lactylation contributes to intrahepatic cholangiocarcinoma pathogenesis via RNA splicing regulation of MADD. J Hepatol. Published online April 27, 2024. doi:10.1016/j.jhep.2024.04.010

乳酸化调控蛋白-分子互作研究总结

乳酸化调控蛋白的分子互作包括调控蛋白-蛋白分子互作、蛋白-DNA分子互作、蛋白-RNA分子互作。研究最终具体关注到哪种分子互作，主要取决于关注的这个乳酸化蛋白质的功能，如果这个蛋白质的已知功能并未明确有和DNA、RNA结合的功能，那么优先考虑乳酸化影响蛋白-蛋白互作；如果这个蛋白质本身明确和DNA或者RNA结合发挥作用，则可优先考虑蛋白-DNA/RNA互作。在具体验证中，可以通过构建高乳酸化（乳酸/乳酸钠处理等）或低乳酸化（K→R位点突变、乳酸生成相关酶抑制或敲除等）条件，检测不同条件下目标乳酸化蛋白质和相关分子的结合强度，进而来说明乳酸化具体是促进了蛋白-分子互作还是减弱了蛋白-分子互作。