乳酸化×乙酰化：微管α蛋白细胞骨架功能的代谢调节

微管是细胞骨架的主要组成部分，由α/β-微管蛋白异二聚体构成，在真核细胞中形成管状结构。微管具有高度动态性，通过持续的聚合与解聚过程执行多种功能，包括细胞内物质运输、细胞分裂和细胞迁移。微管蛋白的翻译后修饰在特化微管结构中高度富集，可在特定位点调控微管动态性。α-微管蛋白的40位赖氨酸（K40）的乙酰化修饰是稳定微管的标志物。α-微管蛋白的乙酰化修饰由乙酰转移酶 MEC17/α-TAT1 催化，且可被去乙酰化酶 HDAC6  Sirt2去除。乳酸化修饰可靶向组蛋白与非组蛋白的赖氨酸残基。研究表明，p300 或 TIP60 等乙酰转移酶可利用乳酸辅酶A（Lac-CoA）作为供体，催化蛋白质的乳酸化修饰。HDAC 家族蛋白与去乙酰化酶（Sirtuins）被发现可去除蛋白质的乳酸化修饰。同时，缺氧环境与糖酵解增强可提高多种细胞中蛋白质的乳酸化水平。然而，蛋白质乳酸化的调控机制仍不明确。

2024年8月，来自上海科技大学的研究团队在Nature Communications上发表Metabolic regulation of cytoskeleton functions by HDAC6-catalyzed α-tubulin lactylation文章，首次发现α-微管蛋白（α-tubulin）的K40赖氨酸位点存在乳酸化修饰，且这一修饰由已知的α-微管蛋白去乙酰化酶HDAC6以乳酸为供体催化（打破其仅作为去乙酰化酶的传统认知），该过程具有乳酸浓度依赖性且依赖 HDAC6的去乙酰化活性，α 微管蛋白K40乳酸化与乙酰化竞争同一位点。

利用抗赖氨酸乳酸化（lac-K）抗体富集乳酸化肽段，并进行质谱，共有 285 个肽段发生乳酸化修饰，α-微管蛋白肽段的K40赖氨酸可能发生乳酸化修饰。免疫印迹、α- 微管蛋白 K40 位赖氨酸突变体构建等证明K40是α-微管蛋白的主要乳酸化修饰位点。将多种乙酰转移酶转染至HEK293T细胞，发现过表达HDAC6 可显著提高α-微管蛋白的乳酸化水平，且乳酸化发生在K40位点。在缺乏α-微管蛋白乙酰化修饰的MEC-17敲除细胞中，过表达HDAC6 仍可提高α-微管蛋白的乳酸化水平，提示HDAC6诱导的α-微管蛋白乳酸化修饰不依赖于α-微管蛋白的乙酰化修饰。

纯化Flag-HDAC6蛋白，并在不同乳酸浓度下将其与微管蛋白共同孵育发现，乳酸浓度低于1mM时，HDAC6表现出去乳酸化酶活性；而当乳酸浓度高于1 mM时，HDAC6则促进α-微管蛋白的乳酸化修饰，表明HDAC6 通过依赖乳酸浓度的可逆反应催化α-微管蛋白的乳酸化修饰。HDAC6包含两个去乙酰化结构域，对两个去乙酰化结构域中负责去乙酰化活性的关键位点（分别为第一个结构域的组氨酸H216和第二个结构域的组氨 H611）进行突变，发现H611突变可破坏 HDAC6 催化 α- 微管蛋白乳酸化修饰的活性，而H216 突变则无此效应，表明HDAC6 的去乙酰化活性对其乳酸化活性至关重要。

高乳酸浓度可触发HDAC6催化α-微管蛋白的乳酸化修饰，而糖酵解途径可产生乳酸，推测糖酵解可能提高α-微管蛋白的乳酸化水平，并通过不同浓度葡萄糖处理HEK293T细胞得到验证。免疫印迹结果显示，HDAC6敲除细胞中，乳酸无法诱导α-微管蛋白的乳酸化修饰。糖酵解通过HDAC6催化的乳酸化反应调控 α-微管蛋白的乳酸化修饰。

研究表明，去乙酰化酶（Sirtuin）家族蛋白可去除蛋白质的乳酸化修饰。对 Sirtuin 家族蛋白进行筛选，发现过表达Sirt2可降低α-微管蛋白的乳酸化水平。体外实验发现，Sirt2敲除细胞中α-微管蛋白的乳酸化水平升高，当Sirt2与微管共同孵育时，α-微管蛋白的乳酸化水平较其与微管蛋白二聚体共同孵育时显著降低，提示Sirt2催化α-微管蛋白去乳酸化修饰时优先选择微管作为底物。

分离 HEK293T细胞中的可溶性微管蛋白二聚体（S）与聚合微管（P），结果显示，乳酸化α-微管蛋白主要存在于可溶性组分中，这可能源于HDAC6对微管蛋白二聚体的底物偏好。α- 微管蛋白的乳酸化修饰是可溶性微管蛋白二聚体的标志物，而同一位点的乙酰化修饰则是稳定微管的标志物。纯化微管蛋白，通过体外乳酸化实验、微管重组实验等发现，乳酸化α-微管蛋白可促进微管蛋白成核并增强微管动态性。

利用EB3-tdTomato标记微管正极，通过时间序列成像观察体外培养第3天（DIV3）海马神经元中微管的动态性，发现乳酸处理可显著增加轴突中EB3彗星的数量并提高其移动速度，表明α-微管蛋白的乳酸化修饰可能通过增强神经元中微管蛋白的成核过程，增加生长微管的数量。α-微管蛋白的乳酸化修饰可增强培养神经元中微管的动态性，在调控神经元发育与神经突生长中发挥重要作用。

总结：本研究在可溶性微管蛋白二聚体中鉴定到α-微管蛋白K40赖氨酸的乳酸化修饰，并发现组蛋白去乙酰化酶（HDAC6）可利用乳酸催化α-微管蛋白的乳酸化修饰，从而增强神经元中微管的动态性。HDAC6 催化的乳酸化修饰具有可逆性，且依赖于乳酸浓度：细胞内乳酸浓度可触发 HDAC6对α-微管蛋白的乳酸化修饰，该过程依赖其去乙酰化活性。研究揭示了 HDAC6 在调控α-微管蛋白乳酸化修饰中的核心作用，建立了细胞代谢与细胞骨架功能之间的关联。

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