分享一篇發(fā)表在PNAS上的文章，文章的題目為“Dynamic investigation of hypoxia-induced L-lactylation”，通訊作者為來(lái)自芝加哥大學(xué)癌癥研究系的趙英明教授，研究方向?yàn)榈鞍踪|(zhì)組學(xué)、表觀遺傳學(xué)和與癌癥相關(guān)的代謝現(xiàn)象。本文的第一作者高晉君博士為王初課題組2019屆博士畢業(yè)生，現(xiàn)任北京大學(xué)深圳研究生院助理教授/特聘研究員、課題組長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師。在本文中，作者深入研究了缺氧對(duì)三種乳酰化異構(gòu)體修飾的動(dòng)態(tài)調(diào)控，證實(shí)了L-乳酰化是缺氧誘導(dǎo)下的主要乳酰化形式，并揭示了L-乳酰化與缺氧標(biāo)志物和腫瘤惡性之間的顯著關(guān)聯(lián)。
缺氧微環(huán)境是實(shí)體腫瘤的顯著特征，也是其與正常組織的關(guān)鍵區(qū)別缺氧微環(huán)境對(duì)腫瘤生物學(xué)有著廣泛的影響，包括但不限于重編程代謝通路，促進(jìn)腫瘤血管生成，促進(jìn)腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移，以及抑制免疫反應(yīng)等。這些影響共同作用使得腫瘤中的缺氧微環(huán)境與治療抵抗密切相關(guān)，從而使其成為近年來(lái)癌癥創(chuàng)新藥物開(kāi)發(fā)中最重要的靶標(biāo)之一。細(xì)胞對(duì)缺氧的適應(yīng)主要由缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factors，HIFs）調(diào)控。在缺氧條件下，HIF的穩(wěn)定性增強(qiáng)，進(jìn)而調(diào)控與缺氧適應(yīng)相關(guān)的代謝通路變化，其中最顯著的影響是糖酵解水平升高和線粒體呼吸被抑制。這些變化共同導(dǎo)致缺氧組織中L-乳酸（以下簡(jiǎn)稱(chēng)乳酸）水平的顯著增加。
芝加哥大學(xué)趙英明課題組于2019年首次發(fā)現(xiàn)了乳酸共價(jià)修飾于賴(lài)氨酸側(cè)鏈殘基所形成的乳酰化修飾，并揭示了其在調(diào)控基因表達(dá)中的重要作用。在細(xì)胞中，這種修飾具有另外兩種同分異構(gòu)體，分別是由甲基乙二醛（MGO）直接與Lys反應(yīng)生成的Kce修飾，以及MGO先與GSH中的半胱氨酸殘基反應(yīng)生成D-LGSH中間體，再轉(zhuǎn)移到Lys上形成的KD-la修飾。而這三種修飾在眾多乳酰化相關(guān)研究中的作用以及核定位等方面的研究中經(jīng)常被混淆。
本文聚焦缺氧應(yīng)激過(guò)程中三種乳酸化異構(gòu)體（KL-la、KD-la、Kce）的動(dòng)態(tài)調(diào)控與功能差異，揭示了KL-la作為缺氧特異性修飾的核心作用，為靶向代謝-表觀遺傳調(diào)控軸的腫瘤治療提供了新思路。
作者首先在缺氧條件下檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)代謝物的濃度水平，發(fā)現(xiàn)：在缺氧條件下L-乳酸水平顯著增加而D-乳酸和MGO保持不變，且在相應(yīng)代謝通路中酶的水平中，LDHA顯著上調(diào)，而GLO1和GLO2保持不變。之后，作者使用開(kāi)發(fā)的高特異性的KL-la泛抗、KD-la泛抗和Kce泛抗評(píng)估了缺氧處理后的細(xì)胞內(nèi)對(duì)應(yīng)修飾水平，發(fā)現(xiàn)在缺氧條件下KL-la水平上升，而KD-la和Kce的水平保持不變且處于基線水平，表明缺氧條件誘導(dǎo)了KL-la修飾的發(fā)生，而非KD-la或Kce。
為了進(jìn)一步佐證，作者利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建了乙二醛酶系統(tǒng)（MGO和D-LGSH的代謝中起關(guān)鍵作用）缺陷的HEK293T細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)顯示，乙二醛酶的缺失并未削弱細(xì)胞對(duì)缺氧的適應(yīng)性，對(duì)應(yīng)的HIF-1α和LDHA表達(dá)水平與野生型細(xì)胞相似。而且無(wú)論乙二醛酶的有無(wú)，缺氧處理前后的細(xì)胞KD-la和Kce水平均基本不變，說(shuō)明在缺氧條件下，KL-la、KD-la和Kce的調(diào)控均不受乙二醛酶缺失的影響。這些證據(jù)進(jìn)一步支持KL-la（而非KD-la或Kce）是缺氧響應(yīng)的唯一修飾形式。
后續(xù)，作者利用乳酸脫氫酶A和B(LDHA和LDHB) 雙敲除來(lái)消除L-乳酸的生成，觀察體系修飾水平的變化。實(shí)驗(yàn)顯示，LDHA和LDHB雙敲除會(huì)顯著降低缺氧條件下細(xì)胞增殖速率，而且會(huì)出現(xiàn)KL-la顯著減少、KD-la和Kce顯著增加的現(xiàn)象。作者認(rèn)為雙基因敲除可能將糖酵解流重定向至乙二醛酶途徑，從而導(dǎo)致KD-la和Kce的升高。
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者推斷通過(guò)調(diào)控糖酵解和線粒體通路可以影響這些修飾在缺氧條件下的水平。因此，作者使用抑制糖酵解與線粒體呼吸通路不同節(jié)點(diǎn)的小分子化合物處理野生型MCF-7細(xì)胞，觀察對(duì)KL-la、KD-la和Kce水平的影響。數(shù)據(jù)證實(shí)缺氧條件僅特異性誘導(dǎo)KL-la，且KL-la、KD-la和Kce的調(diào)控機(jī)制相互獨(dú)立。
作者還通過(guò)藥物干預(yù)調(diào)控缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF-1α)活性，觀察其對(duì)乳酸化修飾的影響，發(fā)現(xiàn)HIF-1α?xí)禺愋哉{(diào)控KL-la，而不影響KD-la和Kce。通過(guò)對(duì)90組肺腺癌組織及癌旁正常組織（NATs）的免疫組化分析，作者發(fā)現(xiàn)KL-la與HIF-1α/LDHA表達(dá)呈正相關(guān)，KL-la升高與肺腺癌缺氧及惡性進(jìn)展密切相關(guān)。
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作者還對(duì)相關(guān)乳酸化過(guò)程進(jìn)行了更加細(xì)致的研究：作者通過(guò)在位點(diǎn)特異性水平探究缺氧調(diào)控的組蛋白KL-la，繪制了缺氧調(diào)控的組蛋白乳酰化定量圖譜，而且發(fā)現(xiàn)不同亞型的乳酸化/去乳酸化過(guò)程可能受不同機(jī)制驅(qū)動(dòng)；通過(guò)使用p300/CREB結(jié)合蛋白（CBP）選擇性抑制劑A485處理MCF-7細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)p300/CBP是缺氧誘導(dǎo)KL-la的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，但并不是必要因子；通過(guò)在常氧與缺氧條件下，使用抗H3K18L-la抗體對(duì)MCF7細(xì)胞進(jìn)行ChIP-Seq免疫沉淀測(cè)序，發(fā)現(xiàn)乳酸化位點(diǎn)H3K18L-la可以通過(guò)激活糖酵解基因及HIF通路參與缺氧誘導(dǎo)的基因調(diào)控。
綜上所述，本研究系統(tǒng)揭示了基于KL-la的缺氧特異性的表觀標(biāo)記調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為理解代謝-表觀遺傳相互作用提供了新范式，也為靶向乳酸化修飾的腫瘤治療策略奠定了理論基礎(chǔ)。此外，除L/D型乳酰化外，細(xì)胞內(nèi)還存在大量被忽視的立體異構(gòu)體翻譯后修飾，可能對(duì)以往研究結(jié)論產(chǎn)生重大挑戰(zhàn)。這一研究為揭示異構(gòu)體修飾研究的重要性提供了新視角，推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的深入探索。
本文共同第一作者高晉君博士現(xiàn)任職于北京大學(xué)深圳研究生院，任助理教授/特聘研究員，課題組長(zhǎng)，博士生導(dǎo)師。高晉君博士畢業(yè)于北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院，導(dǎo)師為王初教授，博士期間發(fā)展了一系列創(chuàng)新的蛋白質(zhì)組學(xué)方法，以提高（化學(xué)）蛋白質(zhì)組學(xué)中的鑒定靈敏度和定量效率。隨后在芝加哥大學(xué)進(jìn)行博士后研究，合作導(dǎo)師為世界知名蛋白質(zhì)組學(xué)專(zhuān)家趙英明教授，從事組蛋白翻譯后修飾相關(guān)研究，期間工作為乳酰化研究領(lǐng)域奠定了重要基礎(chǔ)。高晉君博士以（共同）第一作者在PNAS，Nature Chemical Biology，Science Advances，ACS Central Science等高水平雜志發(fā)表論文多篇，作為重要參與人在Nature,?Nature Communications等雜志上合作發(fā)表論文十余篇。高晉君課題組將在化學(xué)生物學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、蛋白質(zhì)翻譯后修飾、計(jì)算生物學(xué)和癌癥生物學(xué)等多個(gè)交叉領(lǐng)域開(kāi)展研究工作。課題組致力于開(kāi)發(fā)AI驅(qū)動(dòng)的創(chuàng)新蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，并結(jié)合前沿的化學(xué)和分子生物學(xué)工具，探索腫瘤等疾病發(fā)病的功能機(jī)制，以識(shí)別疾病標(biāo)志物，并發(fā)現(xiàn)新的治療靶點(diǎn)和藥物。課題組誠(chéng)聘化學(xué)生物學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、有機(jī)化學(xué)、藥物化學(xué)、癌癥生物學(xué)及相關(guān)方向的博士后2名（年薪不低于40萬(wàn)/年+校內(nèi)公寓），有意者請(qǐng)聯(lián)系高晉君博士gaojinjun@pku.edu.cn。此招聘長(zhǎng)期有效，詳細(xì)招聘信息請(qǐng)見(jiàn)課題組網(wǎng)站：
https://web.pkusz.edu.cn/jinjungaolab/opening/
本文作者：CHY
