細(xì)胞生命活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生數(shù)千種的代謝小分子，這些小分子不僅僅是蛋白質(zhì)（酶）催化的產(chǎn)物，同時(shí)也能夠反過來通過共價(jià)修飾的方式影響蛋白質(zhì)的功能。例如，乙酰CoA是TCA循環(huán)的重要產(chǎn)物，以此為供體所產(chǎn)生的蛋白質(zhì)乙?；揎棧诨虮磉_(dá)調(diào)控、代謝和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)節(jié)、癌癥發(fā)生發(fā)展等過程中都發(fā)揮了重要的作用。從應(yīng)用的角度來看，組蛋白去乙?；傅囊种苿℉DAC inhibitor）也已經(jīng)作為一類臨床藥物在使用。因此，揭示這種蛋白質(zhì)-代謝物的相互調(diào)節(jié)機(jī)制，對于理解生命的變化、 疾病的發(fā)生、診斷和治療， 具有重大的科學(xué)意義。
從生化本質(zhì)上來說，各類小分子和蛋白質(zhì)共價(jià)結(jié)合發(fā)生修飾應(yīng)當(dāng)是一種普遍的機(jī)制。但目前已知的這類修飾仍然非常有限，究其原因是缺乏很好的研究思路和方法，而高精度質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展無疑為這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展提供了強(qiáng)大的武器。然而，傳統(tǒng)的質(zhì)譜方法是用于檢測“已知”的質(zhì)量偏移，能否用來發(fā)現(xiàn)全新的修飾類型呢？
為解決這個(gè)重要問題，芝加哥大學(xué)的趙英明教授團(tuán)隊(duì)于2009年在PNAS上發(fā)布了一種尋找新的質(zhì)量偏移的軟件工具PTMap[1]，為后續(xù)新型修飾的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。自此以來，趙英明教授課題組陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了丙?；?、丁?；投辊；?、琥珀?；?、丙二?；?、戊二酰化、二羥基異丁?；?、三羥基丁?；约氨郊柞；榷喾N修飾[2-3]，極大豐富了人們對酰化修飾的認(rèn)識(shí)和理解。其中趙英明教授課題組2011年發(fā)表在Cell雜志上的關(guān)于組蛋白巴豆?；难芯勘辉撾s志評(píng)為2011年5篇研究亮點(diǎn)之一；2010年12月在線發(fā)表的關(guān)于組蛋白琥珀?；难芯咳脒x自然子刊Nature Chemical Biology創(chuàng)刊十年的39篇精品論文之一。這一系列新修飾的發(fā)現(xiàn)使得已知的組蛋白修飾位點(diǎn)數(shù)目超過了500個(gè)，其中一半以上是由趙教授課題組所發(fā)現(xiàn)的，這些工作極大擴(kuò)充了人們對組蛋白密碼（histone code）的理解[4]。
除了發(fā)現(xiàn)這些新的修飾類型和位點(diǎn)，趙英明教授課題組還與其他課題組通力合作，共同致力于鑒定這些新修飾的調(diào)節(jié)蛋白，包括修飾酶（writer）、去修飾酶（eraser）和修飾結(jié)合蛋白（reader），研究其生物學(xué)功能（調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄和代謝），并探索其在人類疾病中的作用。上述一系列研究成果已發(fā)表在Cell Metabolism、Nature Chemical Biology、Molecular Cell等雜志上[2]。據(jù)此，趙英明教授課題組提出的組蛋白?；揎椀墓ぷ髂Ｐ停杭?xì)胞代謝通過酶催化的組蛋白?；揎椫匦戮幊滩⒄{(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄，給后續(xù)該領(lǐng)域的研究提供了重要的指導(dǎo)意義。
隨著研究的不斷深入，這九種新的修飾類型陸續(xù)被證明同腫瘤、神經(jīng)、免疫和微生物代謝，以及各種疾病包括肥胖、心血管病、糖尿病和炎癥性腸病等多種生理病理過程都密切相關(guān)，為這些方向的研究提供了新的思路。趙英明教授課題組在新型蛋白質(zhì)修飾和組蛋白修飾表觀遺傳學(xué)通路的發(fā)現(xiàn)、新修飾的調(diào)節(jié)蛋白和功能研究等方面均做出了國際領(lǐng)先的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。
近日，芝加哥大學(xué)趙英明教授課題組、Lev Becker教授課題組再獲新突破，在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature以research article的形式在線發(fā)表了題為“Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation”的論文，報(bào)道了最新發(fā)現(xiàn)的組蛋白賴氨酸乳酸化修飾（Lactylation）及其功能。
2019年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了三位在“細(xì)胞如何感知和適應(yīng)氧氣供應(yīng)”方面取得突出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家，這是因?yàn)檠鯕獾母兄湍芰康拇x廣泛參與各類生理病理過程。例如腫瘤中有其特殊的能量代謝特征，被稱為溫伯格效應(yīng)（Warburg effect），具體表現(xiàn)為即便在有氧條件下也會(huì)傾向于采用糖酵解的方式獲取能量并出現(xiàn)乳酸的大量聚集[5-6]。但長期以來，這種積累的乳酸一直被視為一種單純的細(xì)胞能源物質(zhì)和代謝產(chǎn)物，并沒有認(rèn)識(shí)到其在生物學(xué)功能中的重要調(diào)控作用。而本篇論文發(fā)現(xiàn)，代謝過程中積累的乳酸可以作為前體物質(zhì)導(dǎo)致組蛋白賴氨酸發(fā)生乳酸化修飾，并參與細(xì)菌感染的M1巨噬細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)調(diào)控。該研究不僅為蛋白質(zhì)的翻譯后修飾研究開辟新的領(lǐng)域，也為代謝產(chǎn)物乳酸在腫瘤、免疫等領(lǐng)域參與的研究指引了新方向。
趙英明教授課題組的張迪博士和洛克菲勒大學(xué)的Zhanyun Tang博士為該論文共同第一作者，參與本研究的還有洛克菲勒大學(xué)的Robert G. Roeder教授（美國科學(xué)院院士，拉斯克獎(jiǎng)獲得者），加州大學(xué)圣地亞哥分校的任兵教授，四川大學(xué)華西醫(yī)院的戴倫治教授、中科院上海藥物所的黃河教授等。
研究速讀
1. 組蛋白乳酸化修飾的鑒定和驗(yàn)證
已有的研究顯示，組蛋白?；揎椡ǔＲ约?xì)胞代謝物為供體，并可以通過質(zhì)譜測定修飾基團(tuán)的質(zhì)量偏移被發(fā)現(xiàn)[7-8]。依此方法，在MCF7核心組蛋白水解肽段的LC-MS/MS實(shí)驗(yàn)中，研究者觀察到賴氨酸殘基上存在72.021道爾頓的質(zhì)量偏移，并推測該偏移可能是由于賴氨酸上添加了一個(gè)乳酸基團(tuán)所致（圖1a-b）。
圖1. 組蛋白乳酸化修飾發(fā)現(xiàn)
通過人工合成肽段與體內(nèi)肽段質(zhì)譜圖譜比較，作者確證該質(zhì)量偏移是由一個(gè)乳酸基團(tuán)修飾引起的（圖1b）。為了更好地研究乳酸化修飾，作者利用針對乳酸化修飾的泛抗體（景杰生物開發(fā)）進(jìn)行Western Blotting檢測（圖2d）。此外，作者在Hela和BMDMs細(xì)胞中分別鑒定到26和16個(gè)組蛋白乳酸化修飾位點(diǎn)（圖2c）并通過同位素標(biāo)記的代謝流實(shí)驗(yàn)證明該修飾來源于乳酸。以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合表明，組蛋白乳酸化修飾是一種細(xì)胞內(nèi)來源于乳酸的蛋白翻譯后修飾。
圖2. 組蛋白乳酸化修飾驗(yàn)證
2. 組蛋白乳酸化修飾來自糖酵解通路
接下來作者進(jìn)一步探究組蛋白組乳酸化修飾是否會(huì)受到細(xì)胞內(nèi)乳酸的調(diào)控。首先，作者用不同濃度的葡萄糖處理MCF-7細(xì)胞后發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)乳酸的生成和組蛋白乳酸化修飾水平都呈梯度增加（圖3a-b）。乳酸的產(chǎn)生是由糖酵解和線粒體氧化磷酸化共同調(diào)控。當(dāng)用糖酵解抑制劑DCA和Oxamate處理細(xì)胞后，乳酸生成和組蛋白乳酸化修飾顯著下調(diào)；線粒體呼吸抑制劑Rotenone處理細(xì)胞后，乳酸生成和組蛋白乳酸化修飾顯著上調(diào)（圖3f-i）。因此可以表明，內(nèi)源糖酵解通路生成的乳酸是組蛋白乳酸化修飾調(diào)控的關(guān)鍵因子。
圖3. 內(nèi)源生成的乳酸是組蛋白乳酸化修飾的關(guān)鍵調(diào)控因子
3. 低氧條件和M1巨噬細(xì)胞極化過程中組蛋白乳酸化修飾增加
為了進(jìn)一步研究組蛋白乳酸化修飾是否在生理?xiàng)l件下受到糖酵解過程的調(diào)控，作者選取了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停旱脱鹾蚆1巨噬細(xì)胞極化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在低氧條件下，乳酸生成增加并且組蛋白乳酸化修飾水平顯著上調(diào)，但是組蛋白乙?；揎椈緹o變化（圖4j-k）；同時(shí)，LPS/IFNγ刺激條件下，M1巨噬細(xì)胞乳酸生成和組蛋白乳酸化修飾顯著上調(diào)，但是對M2巨噬細(xì)胞無影響（圖4a-d）。由此可見，生理?xiàng)l件下糖酵解過程生成的乳酸促進(jìn)組蛋白乳酸化修飾。
圖4. 低氧條件和M1巨噬細(xì)胞極化過程中組蛋白乳酸化修飾
4. 乳酸直接通過組蛋白乳酸化修飾活化M2相關(guān)基因表達(dá)
已有的研究顯示，組蛋白組修飾在基因表達(dá)調(diào)控過程中發(fā)揮重要作用。進(jìn)一步通過ChIP-seq和RNA-seq實(shí)驗(yàn)，作者發(fā)現(xiàn)H3K18la在一些特定基因的啟動(dòng)子區(qū)域富集。這些基因參與多種生物學(xué)過程，其中包括與M2巨噬細(xì)胞類似表型相關(guān)的wound healing通路（e.g. Arg1）（圖5e-h）。接下來，作者又通過條件性敲除小鼠的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明了糖酵解關(guān)鍵酶LDHA敲除后，乳酸和組蛋白乳酸化水平顯著降低，并且減少Arg1基因表達(dá)水平（圖5a-d）。因此可以得出，在M1巨噬細(xì)胞極化后期，組蛋白乳酸化修飾增多促進(jìn)參與損傷修復(fù)過程的穩(wěn)態(tài)基因的表達(dá)。
圖5. 乳酸直接通過組蛋白乳酸化修飾活化M2相關(guān)基因表達(dá)
專家點(diǎn)評(píng)
Kathryn E. Wellen教授（賓夕法尼亞大學(xué)）
Nature同期發(fā)表了賓夕法尼亞大學(xué)的Kathryn E. Wellen教授的評(píng)述文章“Lactate links metabolism to genes”。該評(píng)述總結(jié)了整個(gè)研究的內(nèi)容并進(jìn)一步指出了該研究的科學(xué)意義。
細(xì)胞代謝過程中產(chǎn)生的代謝小分子不僅僅是重要的物質(zhì)和能量來源，這些小分子也能夠調(diào)控細(xì)胞信號(hào)和基因表達(dá)，其中一個(gè)重要的途徑就是通過共價(jià)修飾的方式影響蛋白質(zhì)比如組蛋白的翻譯后修飾。近日，芝加哥大學(xué)趙英明教授的最新Nature文章在這個(gè)研究方向取得了新的突破。
研究者運(yùn)用質(zhì)譜技術(shù)鑒定了組蛋白乳酸化新修飾并通過同位素代謝標(biāo)記技術(shù)以及多種體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該修飾廣泛存在。在模擬細(xì)菌感染的模型中，研究者證明M1巨噬細(xì)胞極化后期，組蛋白乳酸化修飾增多促進(jìn)參與損傷修復(fù)過程穩(wěn)態(tài)基因的表達(dá)。同時(shí)，作者比較了組蛋白乳酸化和乙?；揎椀膭?dòng)態(tài)調(diào)控，發(fā)現(xiàn)乳酸化標(biāo)記到組蛋白的時(shí)間相對更晚，提示這兩種修飾可能存在不同的調(diào)控方式。進(jìn)一步，作者提出了“l(fā)actate timer”這個(gè)全新的工作模型，即組蛋白乳酸化修飾與穩(wěn)態(tài)基因、炎癥相關(guān)基因表達(dá)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
圖6. 表觀遺傳調(diào)控新發(fā)現(xiàn)-組蛋白乳酸化修飾
本篇研究不僅發(fā)現(xiàn)了組蛋白乳酸化修飾這種全新的表觀遺傳調(diào)控方式，還拓展了人們對于乳酸化修飾的生化調(diào)控模型以及潛在生理病理功能的認(rèn)識(shí)。在生化調(diào)控方式上，作者已經(jīng)進(jìn)行了深入研究并發(fā)現(xiàn)p300可以在體外催化乳酸基團(tuán)從lactyl-CoA轉(zhuǎn)移到組蛋白上，但是細(xì)胞內(nèi)是否也存在這樣的調(diào)控機(jī)制目前還不清楚，對于催化中間產(chǎn)物lactyl-CoA產(chǎn)生的酶以及組蛋白乳酸化修飾的"writer" 、" eraser "和" reader" 還有待進(jìn)一步研究。在潛在生理病理功能方面，作為一種廣泛存在的代謝物質(zhì)，乳酸所介導(dǎo)的新型組蛋白修飾不論是在肌肉運(yùn)動(dòng)等生理過程，還是癌癥等病理學(xué)過程中，都將發(fā)揮重要的作用。
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原創(chuàng)： Dr.Proteomics 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)與蛋白組學(xué)
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