賴氨酸乳?；揎?，自2019年首次被報道之后，便因其在調(diào)控多種生理和病理過程中的潛在作用而受到廣泛關(guān)注。這一翻譯后修飾不僅為乳酸的非代謝功能研究開辟了新的視角，而且提供了一種新的蛋白質(zhì)調(diào)控機制。賴氨酸乳?；揎椨腥N同分異構(gòu)體：L-乳?；↘_L-la）、D-乳?；↘_D-la）以及羧乙基化（K_ce）。這三種修飾都可能由糖酵解過程中的代謝產(chǎn)物所誘導。盡管已有研究指出這些修飾在細胞中的潛在存在，但它們在細胞核中的廣泛分布情況以及與Warburg效應(yīng)的關(guān)聯(lián)性仍然是當前研究中的一個未解之謎。

在2024年7月20日,《自然化學生物學》（Nature Chemical Biology）雜志上，北京大學生命科學學院及北大-清華生命科學聯(lián)合中心的張迪研究員，攜手四川大學的戴倫治教授、威斯康星大學的李靈軍教授以及芝加哥大學的趙英明教授，共同發(fā)表了題為“Lysine L-lactylation is the dominant lactylation isomer induced by glycolysis”的研究。該研究采用了正交的技術(shù)區(qū)分了三種賴氨酸乳?；揎椀耐之悩?gòu)體，并確立了L-乳?；揎椩诩毎憫?yīng)糖酵解過程和Warburg效應(yīng)中的核心作用。這一發(fā)現(xiàn)不僅深化了對蛋白質(zhì)翻譯后修飾異構(gòu)體功能的理解，而且為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的分析方法和理論基礎(chǔ)。

圖1：賴氨酸乳酰化修飾的三種同分異構(gòu)體

2019年，芝加哥大學的趙英明教授團隊在《自然》雜志上首次揭示了Warburg效應(yīng)的產(chǎn)物L-乳酸能夠驅(qū)動一種新型蛋白質(zhì)修飾-賴氨酸乳酰化，張迪擔任該研究的第一作者。隨后該修飾的立體異構(gòu)體修飾，賴氨酸D-乳酰化（K_D-la）也被發(fā)現(xiàn)存在于細胞中。K_D-la是通過乙二醛酶途徑產(chǎn)生的S-D-乳酰谷胱甘肽（LGSH）與蛋白質(zhì)發(fā)生的非酶催化反應(yīng)形成。乙二醛酶途徑，一個高效的細胞解毒系統(tǒng)，由乙二醛酶1（GLO1）和乙二醛酶2（GLO2）兩種酶組成，GLO1將糖酵解副產(chǎn)品甲基乙二醛（MGO）與谷胱甘肽結(jié)合形成LGSH，而GLO2則將其水解，生成D-乳酸并再生谷胱甘肽。MGO的高反應(yīng)性使其能與多種蛋白質(zhì)殘基反應(yīng)，包括半胱氨酸、精氨酸和賴氨酸，其中與賴氨酸反應(yīng)形成的N-ε-（羧乙基）賴氨酸（K_ce）已在細胞中發(fā)現(xiàn)，盡管其水平低于MGO衍生的精氨酸殘基修飾。目前，由于K_L-la、K_D-la和K_ce具有相同的分子量和結(jié)構(gòu)相似性，通過高效液相色譜-質(zhì)譜（HPLC-MS）分析難以區(qū)分它們，且K_D-la和K_ce是否能響應(yīng)細胞糖酵解的動態(tài)變化尚不明確。

圖2：糖酵解通路調(diào)控K_L-la, K_D-la和K_ce 三種乳?；揎棶悩?gòu)體

為了解決這些基本問題，本研究開發(fā)并應(yīng)用了一系列正交技術(shù)，涵蓋了分析化學、化學生物學和免疫學方法，專門用于區(qū)分K_L-la、K_D-la和K_ce這三種乳?；悩?gòu)體。通過這些方法的建立和應(yīng)用，本研究證明了K_L-la是細胞組蛋白上的主要乳?；问?，其產(chǎn)生受高葡萄糖濃度和糖酵解過程的誘導，并且與代謝物乳酰輔酶A（lactyl-CoA）的濃度呈正相關(guān)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，在糖酵解的下段途徑受阻或乙二醛酶系統(tǒng)功能不完整的情況下，K_D-la和K_ce可以產(chǎn)生并且受葡萄糖濃度影響，進一步揭示了這些異構(gòu)體在細胞代謝調(diào)節(jié)中的復雜性。

圖3：用生物正交方法區(qū)分三種乳?；揎椡之悩?gòu)體，并證明K_L-la是細胞內(nèi)組蛋白上的主要乳酰化形式

綜上所述，該研究不僅開發(fā)了一套區(qū)分蛋白質(zhì)翻譯后修飾（PTM）異構(gòu)體的創(chuàng)新方法，而且揭示了K_L-la作為細胞對糖酵解和Warburg效應(yīng)的主要響應(yīng)者的關(guān)鍵角色。這些成果不僅豐富了我們對細胞代謝調(diào)控機制的理解，而且為未來的研究提供了新的視角和工具，有助于深入探索乳酰化修飾在疾病發(fā)展和其他生物學過程中的作用。

在這項研究中，張迪、戴倫治、李靈軍以及趙英明共同擔任本文的通訊作者，指導了研究的各個方面。張迪、芝加哥大學高晉君博士（目前擔任北京大學深圳研究院研究員）以及威斯康星大學麥迪遜分校朱致君博士作為并列第一作者，對本文的研究工作作出了同等重要的貢獻。本研究得到了國家自然科學基金、生命科學聯(lián)合中心、北京大學生命科學學院以及蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點實驗室的大力支持和資助。

來源：北京大學