国自然新宠——乳酸化修饰蛋白组在医学研究中的应用

乳酸（Lactate）是细胞糖酵解途径重要的含碳代谢产物，通常当细胞处于低氧环境下，葡萄糖通过“无氧糖酵解”途径产生乳酸。乳酸分泌是公认的癌症经典代谢特征——癌细胞即使在有氧条件下也倾向于利用糖酵解进行能量生产，导致乳酸产生增加，通常被称为Warburg效应^[1]。

乳酸化修饰（Lactylation）于2019年由芝加哥大学赵英明教授领衔发现^[2]，通过乳酸与蛋白质的赖氨酸残基反应，形成乳酸化蛋白质。蛋白质乳酸化修饰是乳酸发挥功能的重要方式，乳酸化不仅限于组蛋白，还延伸到非组蛋白，从而影响多种细胞过程，包括调控细胞代谢和信号传导、在特定生理病理过程、肿瘤微环境、炎症微环境中发挥特定功能等。

近年来，乳酸化修饰（Lactylation）作为蛋白质翻译后修饰的新星，在生命科学领域掀起研究热潮。通过高通量蛋白组学技术，科学家们从海量文献中挖掘出乳酸化修饰的动态图谱，揭示了其如何通过调控线粒体功能、自噬通路和表观遗传机制影响疾病进程，从肿瘤微环境的代谢适应，到急性肾损伤中的线粒体失衡，乳酸化修饰蛋白组研究正为精准医学提供全新靶点。

MRE11乳酸化对同源重组修复的代谢调控

研究背景：同源重组（homologous recombination, HR）是双链DNA断裂（DSB）的高保真修复途径，依赖MRE11/MRN复合物启动DNA末端切除，在细胞增殖、癌症发生和癌症治疗中起着决定性作用。癌细胞通过Warburg效应产生大量乳酸，乳酸可诱导蛋白质乳酸化修饰。MRE11的功能受多种翻译后修饰调控（如磷酸化、泛素化），但乳酸化修饰尚未被报道。

研究目的：探究MRE11是否发生乳酸化修饰及其调控机制

研究对象：人细胞系（HEK293T、HCT116 结肠癌细胞、乳酸化缺陷MRE11 K673R 突变细胞）+动物模型（小鼠PDX模型、PDO类器官模型）

组学方法：乳酸化修饰组学+修饰泛抗体+位点特异性定制抗体

结论：MRE11的乳酸化修饰在同源重组（HR）中起关键作用。DNA损伤后，CBP乙酰转移酶在ATM磷酸化作用下催化MRE11的K673 位点乳酸化，增强其与DNA结合能力，促进DNA末端切除和HR修复。高乳酸环境通过提升 MRE11乳酸化水平导致肿瘤细胞化疗耐药。抑制CBP、LDH或使用特异性肽 K673-pe阻断MRE11乳酸化，可削弱HR修复并增强肿瘤对顺铂、PARPi的敏感性，为克服化疗耐药提供了新策略。

XRCC1乳酸化修饰促进胶质母细胞瘤的DNA损伤修复

研究背景：胶质母细胞瘤（GBM）是最常见且侵袭性极强的原发性脑肿瘤，即使经过手术切除和术后放化疗，患者预后仍极差。ALDH1A3（醛脱氢酶1A3）的高表达与GBM患者对放化疗的抵抗及不良预后密切相关，但其具体机制尚未明确。糖代谢重编程和乳酸化修饰可能通过调控DNA修复功能参与肿瘤治疗抵抗，但二者在ALDH1A3介导的耐药中的作用仍不明确。

研究目的：探索ALDH1A3过表达如何通过糖代谢重编程诱导XRCC1乳酸化修饰

研究对象：细胞模型（ALDH1A3高表达的胶质母细胞瘤干细胞（GSCs）、患者来源的N33细胞系）+ 动物模型（小鼠颅内移植瘤模型及GBM类器官模型）

组学方法：乳酸化修饰组学+代谢组学

结论：胶质母细胞瘤（GBM）中ALDH1A3通过结合PKM2促进其四聚化，增加乳酸生成，导致XRCC1的K247位点乳酸化；乳酸化修饰改变XRCC1表面电荷，增强其与importin α的亲和力，促进核转位并提升DNA修复能力，从而介导放化疗抵抗。小分子化合物D34-919可特异性阻断ALDH1A3-PKM2相互作用，抑制PKM2四聚化及乳酸积累，逆转XRCC1乳酸化修饰，最终恢复GBM对放化疗的敏感性。D34-919在体内外模型中显著抑制肿瘤生长并延长生存期，为ALDH1A3高表达GBM患者提供了潜在治疗策略。

H3K18乳酸化通过YTHDF1/m6A/NREP途径促进砷相关特发性肺纤维化进展

研究背景：长期暴露于砷（如饮用水污染）可增加特发性肺纤维化（IPF）风险，其特征包括肺泡上皮损伤、成纤维细胞向肌成纤维细胞转化（FMT）和细胞外基质沉积。乳酸进入细胞后转化为乳酰- CoA，在CBP/p300等酶催化下修饰组蛋白（如H3K1乳酸化，H3K18la）。mRNA的m6A甲基化由METTL3、FTO/ALKBH5和YTHDF1等蛋白调控，影响mRNA稳定性和翻译，与癌症和纤维化相关。H3K18la与m6A阅读器YTHDF1在砷诱导的肺纤维化（As-IPF）中的具体作用机制尚不明确。

研究目的：解析As-IPF中乳酸代谢、H3K18la 和 m6A 修饰的相互作用机制

研究对象：动物模型（C57BL/6J小鼠，对照组&砷暴露组）+细胞模型（肺泡上皮细胞、肌成纤维细胞、m6A 相关基因修饰细胞）

组学方法：乳酸化修饰组学+m6A meRIPseq +RNA-seq

结论：砷暴露诱导的特发性肺纤维化（As-IPF）中，肌成纤维细胞分泌的乳酸通过MCT1转运至肺泡上皮细胞（AECs），使组蛋白H3K18乳酸化（H3K18la）水平升高，促进m6A阅读器YTHDF1 转录；YTHDF1通过识别NREP mRNA 的 m6A 修饰位点，增强 NREP 蛋白表达并激活 TGF-β1 分泌，驱动成纤维细胞向肌成纤维细胞转化（FMT），加剧肺纤维化。研究揭示了 H3K18la-YTHDF1/m6A-NREP 通路在 As-IPF 中的关键作用，为靶向代谢 - 表观调控轴治疗肺纤维化提供了新方向。

组蛋白乳酸化增强ALKBH3表达并通过m1A去甲基化SP100A减少早幼粒细胞白血病蛋白核凝聚体，促进肿瘤进展

研究背景：眼黑色素瘤（包括葡萄膜黑色素瘤和结膜黑色素瘤）是最常见的眼内恶性肿瘤，具有化疗抵抗和高转移特性，其发病与表观遗传异常（如组蛋白修饰、m1A修饰）相关。前期研究发现，眼黑色素瘤中组蛋白乳酸化水平升高，但 m1A 修饰与乳酸化的互作机制未知。

研究目的：探索黑色素瘤中 m1A 修饰的动态变化及其与组蛋白乳酸化的关联

研究对象：临床样本（82 例眼黑色素瘤组织+28 例正常痣组织）+细胞模型（眼黑色素瘤细胞系+正常黑色素细胞系）+动物模型（裸鼠原位移植）

组学方法：乳酸化修饰组学+m1A meRIPseq+ RNA-seq

结论：组蛋白乳酸化通过上调 ALKBH3 表达，促进 SP100A 的 m1A 去甲基化，降低其 RNA 稳定性和翻译效率，减少 PML 核凝聚体形成，从而推动眼黑色素瘤进展。机制上，H3K18 乳酸化富集于 ALKBH3 启动子，驱动其转录，而 ALKBH3 通过去除 SP100A 的 m1A 修饰（如 c.A92 位点）抑制其功能。敲低 ALKBH3 或过表达 SP100A 可抑制肿瘤生长，揭示了“乳酸化 - ALKBH3-m1A-SP100A-PML” 通路在肿瘤中的关键作用，为靶向 m1A 重编程治疗提供了新方向。ALKBH3在高风险眼黑色素瘤中因组蛋白乳酸化水平过高而特异上调，表现为m1A低甲基化状态。

单细胞转录组分析揭示组蛋白乳酸化与膀胱癌顺铂耐药的相关性

研究背景：膀胱癌（BCa）是全球第十大常见恶性肿瘤，顺铂（Cisplatin）是治疗晚期膀胱癌的主要化疗药物，但约65%患者最终会产生耐药性，导致治疗失败。目前已知的耐药机制包括药物外排增强、DNA损伤修复异常等，但单一靶向策略效果有限。近年研究发现，表观遗传调控（如组蛋白修饰）在耐药中起关键作用。乳酸化修饰（Lactylation）作为一种新型翻译后修饰，与肿瘤代谢重编程密切相关，但其在顺铂耐药中的作用尚不明确。

研究目的：通过单细胞测序及修饰蛋白组学揭示膀胱癌顺铂耐药的分子机制，探索组蛋白乳酸化修饰（如H3K18la）对耐药性形成的调控作用

研究对象：临床样本（GEO数据库的膀胱癌单细胞转录组数据，含顺铂耐药与敏感样本）+细胞模型（顺铂耐药膀胱癌细胞系）+动物模型（顺铂耐药细胞移植的裸鼠皮下瘤模型）

组学方法：单细胞测序+乳酸化修饰组学

结论：膀胱癌中存在特定的顺铂耐药上皮细胞亚群，其特征为高糖酵解活性、鳞状分化标记物高表达及肿瘤微环境中异常细胞通讯。乳酸积累导致组蛋白H3K18la水平显著升高，并通过富集于YY1/YBX1启动子激活其转录，进而调控DNA 损伤修复、EMT 及细胞凋亡抵抗等通路，促进耐药性。H3K18la、YBX1和YY1可作为克服顺铂耐药的关键干预靶点。

在急性肾损伤（AKI）中，ALDH2的乳酸化加剧了线粒体功能障碍并通过破坏PHB2介导的线粒体自噬发挥作用

研究背景：近端小管细胞（PTCs）线粒体密度高，易受损伤，线粒体数量减少、结构变形及膜电位下降是急性肾损伤（AKI）的关键病理特征。线粒体功能障碍导致糖酵解增强、乳酸积累，乳酸水平与AKI患者肾小球滤过率（GFR）呈负相关。

研究目的：探究AKI中乳酸水平与乳酸化修饰的关联及ALDH2 乳酸化影响线粒体自噬的分子机制

研究对象：临床样本（AKI 患者与对照的血清、尿液及肾活检组织）+动物模型（C57BL/6 小鼠）+细胞模型（人近端小管细胞 HK-2）

组学方法：乳酸化修饰+单细胞测序（scRNAseq）

结论：AKI 患者及小鼠肾组织中乳酸水平与乳酸化修饰（pan-Kla）显著升高，ALDH2在K52位点的乳酸化抑制其酶活性，导致线粒体功能障碍和肾小管损伤。ALDH2乳酸化通过促进PHB2的泛素化-蛋白酶体降解，抑制线粒体自噬，从而加重线粒体损伤。SIRT3作为去乳酸化酶，可通过降低ALDH2乳酸化水平恢复PHB2稳定性，改善线粒体自噬和肾功能。靶向ALDH2乳酸化或激活SIRT3可能成为AKI的新型治疗策略。

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【参考文献】

1. Warburg, O, 2019. On the origin of cancer cells. Science.

2. Zhang,D., et al., 2019. Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature.