PTMomics专题 | “乳”数家珍，7篇IF 10+，中国科学家连发乳酸化调控肿瘤发展新成果

精准医学与蛋白组学

2022.7.25

作者景杰生物

TA的动态

景杰生物 | 报道

乳酸 (Lactate) 是细胞糖酵解途径重要的含碳代谢产物，它的生物学功能因肿瘤细胞中Warburg效应的存在，得到了广泛关注。乳酸化修饰 (lactylation) 是2019年芝加哥大学赵英明教授课题组在Nature杂志报道的全新蛋白质翻译后修饰类型。后续研究进一步证实，蛋白质乳酸化修饰是乳酸发挥功能的重要方式，参与糖酵解相关细胞功能、巨噬细胞极化、神经系统调控、水稻谷粒发育等重要生命活动。

乳酸化通过驱动致癌基因表达被确定为肿瘤发生的关键协调者。中国科学家在Nature Methods (IF=47.990)、Molecular Cell (IF=19.328)、Genome Biology (IF=17.906)、Cell Reports (IF=9.995)、 Chemical science (IF=9.969)、International Journal of Biological Sciences (IF=10.750)、Pharmacological Research (IF=10.3346) 等国际权威期刊上，接连发表了乳酸化与肿瘤调控相关研究成果，揭示了乳酸化在肿瘤发生发展的关键作用。

Nat Methods

乳酸化检测新技术揭示人类蛋白组普遍存在乳酸化修饰

2022年6月27日，中国药科大学郝海平/叶慧团队联合南京中医药大学王南溪教授在Nature Methods (IF=47.990) 发表题为Cyclic immonium ion of lactyllysine reveals widespread lactylation in the human proteome 的研究成果。利用独特的碎片离子作为 Klac 的主要诊断特征来挖掘多个可公开访问的蛋白质组数据集，并检索组蛋白和非组蛋白上的许多新的 Klac 位点，初步确证了乳酸化发生在人类的非组蛋白底物上同样具有重要的调控功能。

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为了探究修饰特异性的特征离子，从而通过谱图筛选显著降低假阳性率，揭示真实的目标修饰位点，该团队通过合成和研究模型乳酸化肽段的谱图，首次发现了携带乳酸化修饰赖氨酸的多肽在质谱碰撞室中经过二级断裂会形成链状亚胺离子，该离子经过脱氨环化再形成次生碎片——环状亚胺离子。基于该诊断离子策略，研究者针对现有的非富集、大规模人类蛋白质组数据资源，从中挖掘了大量全新的乳酸化修饰底物蛋白及其位点的信息。

图1 蛋白质乳酸化被证明在蛋白组中广泛存在

该研究表明乳酸化广泛存在于人类组织、细胞中，对非组蛋白的底物蛋白也具有调控功能。该分析策略有助于揭示乳酸更多的共价修饰靶标，为阐释乳酸化修饰在炎症、肿瘤等重大慢性疾病发生发展之间的因果关系，进而发现新的疾病治疗靶点提供线索。

‍Mol Cell

乳酸化调控RNA m⁶A修饰促进肿瘤的免疫抑制

肿瘤微环境 (TME) 是一个复杂的生态系统，包含具有促肿瘤和抗肿瘤作用的免疫细胞，显着影响免疫治疗的结果。肿瘤浸润髓系细胞 (TIMs) 在免疫抑制性微环境的形成和维持中发挥关键作用。2022年3月，浙江大学等合作研究团队在Molecular Cell (IF=17.97) 上发表乳酸化修饰最新成果，从“代谢-表观-转录”层面，揭示了乳酸化修饰调控肿瘤浸润髓系细胞的免疫抑制功能，介导肿瘤的免疫逃逸。

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研究发现METTL3在TIMs中表达上调，这与不良预后相关。乳酸一方面以组蛋白H3K18乳酸化修饰形式促进TIMs中Mettl3转录；另一方面，乳酸化修饰能直接发生在METTL3蛋白的“CCCH”锌指结构域 (zinc finger domain, ZFD)，而ZFD起着目标识别域 (TRD) 的作用，增强METTL3结合并催化靶RNA的m⁶A修饰。这些发现提示METTL3抑制剂可能具有作为干预结直肠癌 (CRC) 的新型免疫治疗策略的潜力，为开发癌症免疫治疗策略提供了新的线索。

Genome Biol

乳酸化修饰影响眼黑色素瘤的发展

上海交通大学医学院附属第九人民医院的科研人员在Genome Biology上发表题为“Histone lactylation drives oncogenesis by facilitating m6A reader protein YTHDF2 expression in ocular melanoma” 的研究论文。首次在眼黑色素瘤中发现组蛋白H3K18的乳酸化修饰是RNA N⁶-甲基腺苷(m⁶A) 修饰阅读蛋白YTHDF2功能调控的一个新分子机制，并阐明了其在致瘤过程中的重要作用。

研究运用乳酸化修饰抗体 (景杰生物，PTM-1401, PTM-1406)，首先对82例眼黑色素瘤组织和28例正常组织进行检测，发现肿瘤样本中乳酸化水平比正常样本高。进一步发现乳酸化修饰增强的蛋白质及修饰位点主要是组蛋白H3K18。抑制组蛋白H3K18乳酸化水平，肿瘤细胞的增殖与迁移受到抑制。在眼黑色素瘤细胞系中研究发现4个受H3K18乳酸化修饰调控的靶基因，其中RNA m⁶A修饰阅读器YTHDF2，其蛋白质在眼黑色素瘤细胞患者组织中也呈高表达状态，并且YTHDF2表达量水平越高患者的预后指标越差，抑制 (和促进) YTHDF2表达能有效抑制 (和促进) 肿瘤细胞的生长，意味着H3K18的乳酸化修饰通过调控YTHDF2的表达影响眼黑色素瘤的发生与发展。

图2 组蛋白H3K18乳酸化调控YTHDF2影响肿瘤发生与发展

Cell Rep

乳酸化修饰通过TGF-β信号通路促进肿瘤发生

调节性T (Treg) 细胞在维持免疫抑制性肿瘤微环境方面起着至关重要的作用。乳酸是癌症中的重要代谢物，与肿瘤预后、转移和总生存期有关。但乳酸对Treg细胞的影响及其潜在机制仍知之甚少。2022年6月21日，南京医科大学研究团队在Cell Reports发表题为Tumor metabolite lactate promotes tumorigenesis by modulating MOESIN lactylation and enhancing TGF-β signaling in regulatory T cells的研究，揭示了肿瘤中代谢物乳酸通过调节Treg细胞中MOESIN蛋白的乳酸化，增强TGF-β信号传导来影响肿瘤微环境，促进肿瘤发生的全新机制。

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研究发现乳酸可改善Treg细胞的稳定性和功能，而乳酸降解减少Treg细胞诱导，增加抗肿瘤免疫力，并减少小鼠的肿瘤生长。MOESIN蛋白被报道能够降低TGFβ受体的表达进而抑制Treg细胞的产生从而重新恢复抗肿瘤免疫。该研究发现乳酸催化MOESIN蛋白K72位赖氨酸发生乳酸化，改善MOESIN与TGF-β受体I和下游SMAD3信号传导的相互作用，调节Treg细胞的产生。乳酸脱氢酶抑制剂与抗PD-1的联合治疗可增强其抗肿瘤作用。且抗PD-1治疗有反应的肝细胞癌患者，其Treg细胞中MOESIN蛋白乳酸化水平低于无反应个体。

图3 乳酸化修饰介导MOESIN蛋白通过TGF-β信号通路促进肿瘤发生机制

Int J Biol Sci

组蛋白乳酸化促发肾透明细胞癌

Von Hippel-Lindau (VHL) 突变在肾透明细胞癌 (ccRCC) 发病机制中起关键作用，存在于高达90%的ccRCC患者中。高水平的乳酸是ccRCC的主要标志，且VHL及其靶向的缺氧诱导因子(HIF) 相关通路与糖酵解衍生的乳酸之间存在密切的联系。2022年5月，中山大学肿瘤防治中心研究团队在International Journal of Biological Sciences (IF=6.58)首次报道了无活性的VHL主动触发组蛋白乳酸化，通过和PDGFRβ信号传导之间的正反馈回路，促进ccRCC进展的全新机制。

研究发现在ccRCC患者中，无活性的VHL与组蛋白乳酸化的存在呈正相关，高水平的组蛋白乳酸化水平表明患者预后不良。无活性的VHL通过主动触发组蛋白乳酸化，激活血小板衍生的生长因子受体β ‍‍(‍‍PDGFRβ) 的转录，进而促进ccRCC的进展。反过来，PDGFRβ信号转导可进一步刺激组蛋白乳酸化，从而在ccRCC中形成致癌正反馈回路。对异常组蛋白乳酸化水平的靶向调控，抑制体内ccRCC的生长和转移。更重要的是，组蛋白乳酸化和PDGFRβ的联合抑制显著增强了治疗效果。这项工作强调了组蛋白乳酸化在ccRCC中的重要性，并表明靶向组蛋白乳酸化和PDGFRβ信号传导之间的正反馈回路，可能为ccRCC患者提供有希望的治疗策略。

图4 乳酸化调控ccRCC进展示意图

Pharmacol Res

抗癌药物DML通过组蛋白乳酸化介导抑癌作用

肿瘤干细胞驱动肿瘤的发生、进展和复发，这会损害抗肿瘤药物的有效性。Warburg 效应驱动癌症干细胞 (CSC) 的代谢重编程可能是癌症研究中的一个治疗机会。2022年5月，重庆大学与湖北中医药大学合作研究团队药理学领域专业期刊Pharmacological Research发表最新文章，首次报告了三萜类抗肿瘤化合物 demethylzeylasteral (DML) 通过降低乳酸表达，干扰代谢应激相关组蛋白乳酸化，抑制肝癌干细胞的肿瘤发生。

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代谢组研究发现，DML可抑制肝细胞癌 (HCC) 的进展，糖酵解代谢途径有助于其抗肿瘤作用，因此研究人员重点关注糖酵解代谢产物——乳酸。进一步研究发现HCC临床样本中的组蛋白乳酸化水平显著高于癌旁组织。DML通过降低乳酸表达，从而进一步抑制H3组蛋白乳酸化 (H3K9la和H3K56la)，抑制 LCSC 增殖、迁移并促进 LCSCs 凋亡。并通过裸鼠肿瘤异种移植模型证实DML的抗肝癌作用是通过在体内调节H3乳酸化来介导的。

图5 DML通过降低乳酸表达抑制肝癌干细胞的肿瘤发生图解

Chem Sci

乳酸化修饰化学探针开发与检测

在生命科学的多组学时代，化学蛋白质组学正源源不断地提供形形色色的探针，这些探针通常认为可以特异性地靶向蛋白质的特定残基，在蛋白质组的海洋里钓取功能性蛋白并报告位点信息。近日，北京大学深圳研究生院彭涛课题组在Chemical science (IF=9.969)上发表了题为“A bioorthogonal chemical reporter for the detection and identification of protein lactylation”的研究结果，报道了一种生物正交的化学探针YnLac，首次实现了哺乳动物细胞中蛋白乳酸化修饰的蛋白质组学层面的检测和鉴定，为研究蛋白乳酸化修饰提供了强有力的化学小分子工具。

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首先研究通过胶内荧光以及细胞荧光成像，初步验证了探针YnLac可以在活细胞中实现代谢标记，研究者进一步利用该探针对HEK293T细胞中的乳酸化修饰底物蛋白进行化学蛋白质组学分析，利用探针和乳酸化泛抗体，挑选的三个底物蛋白HMGB1, NCL以及PARP1 都存在乳酸化修饰信号，这证实了化学蛋白质组学结果的可靠性。研究结果很好地扩展了对乳酸化修饰底物蛋白的鉴定及其生物功能的认知，或将为揭示蛋白乳酸化修饰这一新热点，在生理病理条件下生物功能的探究提供一个新的思路。

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参考文献

1. Wan N, et al. 2022, Cyclic immonium ion of lactyllysine reveals widespread lactylation in the human proteome. Nat Methods.

2. Jia Xiong，et al. 2022. Lactylation-driven METTL3-mediated RNA m6A modification promotes immunosuppressionof tumor-infiltrating myeloid cells. Molecular Cell.

3. Jie Yu, et al., 2021. Histone lactylation drives oncogenesis by facilitating m6A reader protein YTHDF2 expression in ocular melanoma. Genome Biology.

4. Jian Gu, et al. 2022. Tumor metabolite lactate promotes tumorigenesis by modulating MOESIN lactylation and enhancing TGF-β signaling in regulatory T cells. Cell Reports.

5. Jiefeng Yang, et al., 2022, A Positive Feedback Loop between Inactive VHL-Triggered Histone Lactylation and PDGFRβ Signaling Drives Clear Cell Renal Cell Carcinoma Progression. International Journal of Biological Sciences.

6. Lianhong Pan, et al., 2022, Demethylzeylasteral targets lactate by inhibiting histone lactylation to suppress the tumorigenicity of liver cancer stem cells. Pharmacological Research.

7. Yanan Sun, et al. 2022. A bioorthogonal chemical reporter for the detection and identification of protein lactylation. Chem Sci.

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