《自然》杂志：首次揭示组蛋白赖氨酸乳酸酰化(Kla)调控机制

2020-02-28  未知 admin

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今天《自然》杂志发表了芝加哥大学赵英明教授小组的一篇表观遗传蛋白修饰文章，首次揭示了组蛋白赖氨酸乳酸酰化(Kla)这个调控机制，并证明其在基因表达，微环境中改变巨噬细胞中的作用。作者首先用一系列化学和生化的方法，确认此修饰在组蛋白中的存在。13C标记实验表明乳酸酰基来自乳酸，而乳酸来自葡萄糖降解。一系列的实验证明细胞内源性乳酸的浓度，可以调控该组蛋白修饰的水平。作者以巨噬细胞作为模型初步探索了组蛋白Kla对细胞功能的影响，发现巨噬细胞激活后代谢发生变化、乳酸浓度的提高，进而导致组蛋白Kla水平和基因表达的变化。体外生物化学实验显示Kla供体是乳酸酰辅酶，P300纯化酶可以催化组蛋白Kla反应。有意思的是，在动物肿瘤模型实验中，作者发现组蛋白Kla的水平与肿瘤组织内的巨噬细胞乳酸浓度和缺氧相关，并且因此调节从inflammatory M1 表型转变成anti inflammatory M2 表型。并且这个调节作用依赖于乳酸产生酶，LDHS. 这些结果表明这表观遗传学通道在调节免疫细胞功能方面有重要作用。

药源解析

组蛋白不同位点的化学修饰是表观遗传调控的重要机制，甲基化、乙酰化、磷酸化是大家熟知的组蛋白修饰机制。但此前组蛋白的乳酸酰化未知，虽然乳酸是个高浓度代谢产物。因为细胞代谢产物会导致组蛋白赖氨酸乙酰化（Kac），所以作者推测细胞内浓度很高的乳酸也可能导致组蛋白赖氨酸乳酸酰化、并利用质谱技术找到几个组蛋白降解后的多肽似乎确实有Kla（分子量增加72）。为了证实这个发现，作者化学合成了乳酸酰化组蛋白多肽对照，结果HPLC保留时间、MS/MS图谱与降解产物一致。识别Kla抗体也证明在细胞中组蛋白赖氨酸确实可以被乳酸酰化。作者在人、小鼠细胞中共发现28个Kla位点。

通过控制乳酸生物合成的酶活性和同位素标记作者发现组蛋白Kla水平与乳酸浓度正相关，这似乎是细胞监测和应对糖酵解产生乳酸变化的一个机制。早就知道缺氧改变细胞代谢模式、诱导糖酵解，作者发现缺氧也增加Kla水平、但对Kac无影响。促炎巨噬细胞M1比抗炎M2亚型更依赖有氧糖酵解，作者发现用LPS激活M1巨噬细胞后糖酵解和乳酸浓度增加、组蛋白Kla水平随之增加，而且Kla多发生在Kac较低区域。RNA测序发现M1激活后促炎基因表达迅速增加但很快开始恢复正常，而维持组织动态平衡及M2 基因，如伤口愈合的基因（共1223个基因）表达却稳步增加、并与组蛋白Kla水平高度相关。M0巨噬细胞用灭活革兰氏阴性菌激活结果类似。作者把这个机制叫做乳酸计时器，巨噬细胞接到命令启动急性免疫应答的同时已经开始利用Kla通路为收拾残局做准备。通过改变乳酸供给作者证明乳酸浓度改变在先、Kla变化是结果，但这还不能证明Kla变化是基因表达改变的诱因，有数据表明刚刚获得诺贝尔奖的HIFa也可能介导这个变化。作者在非细胞环境下通过酶反应乳酸酰化组蛋白，发现确实可以诱导类似基因转录。

表观遗传蛋白参与调控基因表达，所以直接影响细胞功能。Kla是个全新调控机制，这个工作只考察了巨噬细胞、在其它细胞的作用还有待进一步研究。乳酸因为浓度很高所以是细胞状态的一个明显标记物，因此也可能是多种生物过程把脉细胞环境的指标。一个大家熟知的现象是肿瘤中的Warburg效应，即肿瘤组织即使在氧气充足时也使用效率更低的糖酵解作为能量来源。一个理论认为肿瘤扩张时能量供给不如物料供给更关键，而糖酵解可以更高效搜刮生物合成的原材料。因此肿瘤组织乳酸含量大大高于正常组织，可以想象肿瘤细胞可能会利用这个本帮特异信号设计下游的运作程序。生成、去除、阅读Kla标记的蛋白因此可能成为新的抗癌靶点，似乎与Kla井水不犯河水的Kac标记已经有多个药物上市。