分享一篇發表在PNAS上的文章，文章的題目為“Dynamic investigation of hypoxia-induced L-lactylation”，通訊作者為來自芝加哥大學癌癥研究系的趙英明教授，研究方向為蛋白質組學、表觀遺傳學和與癌癥相關的代謝現象。本文的第一作者高晉君博士為王初課題組2019屆博士畢業生，現任北京大學深圳研究生院助理教授/特聘研究員、課題組長、博士生導師。在本文中，作者深入研究了缺氧對三種乳酰化異構體修飾的動態調控，證實了L-乳酰化是缺氧誘導下的主要乳酰化形式，并揭示了L-乳酰化與缺氧標志物和腫瘤惡性之間的顯著關聯。
缺氧微環境是實體腫瘤的顯著特征，也是其與正常組織的關鍵區別缺氧微環境對腫瘤生物學有著廣泛的影響，包括但不限于重編程代謝通路，促進腫瘤血管生成，促進腫瘤侵襲和轉移，以及抑制免疫反應等。這些影響共同作用使得腫瘤中的缺氧微環境與治療抵抗密切相關，從而使其成為近年來癌癥創新藥物開發中最重要的靶標之一。細胞對缺氧的適應主要由缺氧誘導因子（hypoxia inducible factors，HIFs）調控。在缺氧條件下，HIF的穩定性增強，進而調控與缺氧適應相關的代謝通路變化，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。這些變化共同導致缺氧組織中L-乳酸（以下簡稱乳酸）水平的顯著增加。
芝加哥大學趙英明課題組于2019年首次發現了乳酸共價修飾于賴氨酸側鏈殘基所形成的乳酰化修飾，并揭示了其在調控基因表達中的重要作用。在細胞中，這種修飾具有另外兩種同分異構體，分別是由甲基乙二醛（MGO）直接與Lys反應生成的Kce修飾，以及MGO先與GSH中的半胱氨酸殘基反應生成D-LGSH中間體，再轉移到Lys上形成的KD-la修飾。而這三種修飾在眾多乳酰化相關研究中的作用以及核定位等方面的研究中經常被混淆。
本文聚焦缺氧應激過程中三種乳酸化異構體（KL-la、KD-la、Kce）的動態調控與功能差異，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細胞內代謝物的濃度水平，發現：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，且在相應代謝通路中酶的水平中，LDHA顯著上調，而GLO1和GLO2保持不變。之后，作者使用開發的高特異性的KL-la泛抗、KD-la泛抗和Kce泛抗評估了缺氧處理后的細胞內對應修飾水平，發現在缺氧條件下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，表明缺氧條件誘導了KL-la修飾的發生，而非KD-la或Kce。
為了進一步佐證，作者利用CRISPR/Cas9技術構建了乙二醛酶系統（MGO和D-LGSH的代謝中起關鍵作用）缺陷的HEK293T細胞。實驗顯示，乙二醛酶的缺失并未削弱細胞對缺氧的適應性，對應的HIF-1α和LDHA表達水平與野生型細胞相似。而且無論乙二醛酶的有無，缺氧處理前后的細胞KD-la和Kce水平均基本不變，說明在缺氧條件下，KL-la、KD-la和Kce的調控均不受乙二醛酶缺失的影響。這些證據進一步支持KL-la（而非KD-la或Kce）是缺氧響應的唯一修飾形式。
后續，作者利用乳酸脫氫酶A和B(LDHA和LDHB) 雙敲除來消除L-乳酸的生成，觀察體系修飾水平的變化。實驗顯示，LDHA和LDHB雙敲除會顯著降低缺氧條件下細胞增殖速率，而且會出現KL-la顯著減少、KD-la和Kce顯著增加的現象。作者認為雙基因敲除可能將糖酵解流重定向至乙二醛酶途徑，從而導致KD-la和Kce的升高。
根據上述實驗結果，作者推斷通過調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點的小分子化合物處理野生型MCF-7細胞，觀察對KL-la、KD-la和Kce水平的影響。數據證實缺氧條件僅特異性誘導KL-la，且KL-la、KD-la和Kce的調控機制相互獨立。
作者還通過藥物干預調控缺氧誘導因子1α(HIF-1α)活性，觀察其對乳酸化修飾的影響，發現HIF-1α會特異性調控KL-la，而不影響KD-la和Kce。通過對90組肺腺癌組織及癌旁正常組織（NATs）的免疫組化分析，作者發現KL-la與HIF-1α/LDHA表達呈正相關，KL-la升高與肺腺癌缺氧及惡性進展密切相關。
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作者還對相關乳酸化過程進行了更加細致的研究：作者通過在位點特異性水平探究缺氧調控的組蛋白KL-la，繪制了缺氧調控的組蛋白乳酰化定量圖譜，而且發現不同亞型的乳酸化/去乳酸化過程可能受不同機制驅動；通過使用p300/CREB結合蛋白（CBP）選擇性抑制劑A485處理MCF-7細胞，發現p300/CBP是缺氧誘導KL-la的關鍵驅動因子，但并不是必要因子；通過在常氧與缺氧條件下，使用抗H3K18L-la抗體對MCF7細胞進行ChIP-Seq免疫沉淀測序，發現乳酸化位點H3K18L-la可以通過激活糖酵解基因及HIF通路參與缺氧誘導的基因調控。
綜上所述，本研究系統揭示了基于KL-la的缺氧特異性的表觀標記調控網絡，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。此外，除L/D型乳酰化外，細胞內還存在大量被忽視的立體異構體翻譯后修飾，可能對以往研究結論產生重大挑戰。這一研究為揭示異構體修飾研究的重要性提供了新視角，推動了相關領域的深入探索。
本文共同第一作者高晉君博士現任職于北京大學深圳研究生院，任助理教授/特聘研究員，課題組長，博士生導師。高晉君博士畢業于北京大學前沿交叉學科研究院，導師為王初教授，博士期間發展了一系列創新的蛋白質組學方法，以提高（化學）蛋白質組學中的鑒定靈敏度和定量效率。隨后在芝加哥大學進行博士后研究，合作導師為世界知名蛋白質組學專家趙英明教授，從事組蛋白翻譯后修飾相關研究，期間工作為乳酰化研究領域奠定了重要基礎。高晉君博士以（共同）第一作者在PNAS，Nature Chemical Biology，Science Advances，ACS Central Science等高水平雜志發表論文多篇，作為重要參與人在Nature,?Nature Communications等雜志上合作發表論文十余篇。高晉君課題組將在化學生物學、蛋白質組學、蛋白質翻譯后修飾、計算生物學和癌癥生物學等多個交叉領域開展研究工作。課題組致力于開發AI驅動的創新蛋白質組學技術，并結合前沿的化學和分子生物學工具，探索腫瘤等疾病發病的功能機制，以識別疾病標志物，并發現新的治療靶點和藥物。課題組誠聘化學生物學、蛋白質組學、有機化學、藥物化學、癌癥生物學及相關方向的博士后2名（年薪不低于40萬/年+校內公寓），有意者請聯系高晉君博士gaojinjun@pku.edu.cn。此招聘長期有效，詳細招聘信息請見課題組網站：
https://web.pkusz.edu.cn/jinjungaolab/opening/
本文作者：CHY
