乳酸化是最近发现的一种蛋白质翻译后修饰，最初通过表观遗传机制与基因转录调控有关。然而，它在肿瘤发生中的作用（无论是作为主要驱动因素还是次要调节因子）仍不确定。今天，小编要和大家分享一篇2024年10月发表在Cancer Cell上的综述，文章总结了目前对乳酸化的理解，强调了在病理生理相关条件下使用精确方法来操纵乳酸化水平的必要性。
乳酸化是一种新型蛋白质翻译后修饰，最早于2019年通过肽免疫沉淀与HPLC-MS/MS分析相结合被鉴定。这种修饰最早被发现与癌细胞和巨噬细胞中通过表观遗传调节对基因转录的调节有关。乳酸化的发现为理解Warburg效应的功能意义提供了一条新途径，因为乳酸是这种修饰的关键驱动因素。随后的研究表明，乳酸化发生在多种蛋白质上，包括组蛋白和非组蛋白，并且与不同的生理和病理背景有关。本文讨论了癌症乳酸化研究中当前的主要发现和未解决的问题，并进一步提出了潜在的策略来证实这种修饰的功能研究。
乳酸化发生在蛋白质的赖氨酸残基，包括组蛋白和非组蛋白。迄今为止，已在各种癌细胞中鉴定出1000多种乳酸化蛋白。乳酸化的主要驱动因素是乳酸，乳酸水平升高（在癌细胞中观察到的10至 30 mM）是乳酸化形成所必需的。这表明任何影响糖酵解的因素，特别是乳酸脱氢酶A（LDHA）的活性，都可以调节乳酸化水平。
然而，尽管乳酸浓度高，但发生乳酸化的蛋白质比例相对较低，在总靶蛋白库中观察到的乳酸化不到 ∼10%。这表明由于非经典酶活性，乳酸化可能发生效率低下。作为一种手性化合物，赖氨酸 L-乳酸化和 D-乳酸化均已被鉴定。然而，赖氨酸 L-乳酸化是体内的主要异构体 ，因为 D-乳酸化是由涉及乳酸谷胱甘肽的非酶促过程产生的，仅在乙二醛酶系统受损时观察到。
基于乳酸化与与组蛋白乙酰化的相似性，乳酸-CoA被认为是乳酸化的底物。
支持乳酸-CoA作为底物的证据包括两个关键观察结果：
（1）乳酸-CoA水平与乳酸化呈正相关
（2）组蛋白乙酰转移酶p300在体外使用乳酸-CoA进行乳酸化修饰。
然而，乳酸辅酶 A 的酶源仍然未知（图1）。值得注意的是，癌细胞中乳酸-CoA的内源性水平极低，约为0.011 pmol/106个细胞，比哺乳动物细胞中的乙酸-CoA水平低约1,000倍。
丙氨酸-tRNA合成酶AARS1和AARS2充当乳酸传感器和乳酸转移酶，可使多种蛋白质（包括p53、YAP和线粒体蛋白质）乳酸化。然而，与乙酰转移酶不同，AARS1直接使用乳酸作为底物，而不是乳酸-CoA。乳酸与人AARS1结合的Kd 值范围为2-35 μM，而癌细胞中的乳酸浓度可以达到10-30 mM，因此AARS1很可能在体内介导乳酸化中起主要作用。一些脱乙酰酶，如HDAC1-3和SIRT1-3，具有去乳酸化活性。然而，这些酶的主要功能是脱乙酰化，它们并不是乳酸化所特有的。
图1. 参与乳酸化的酶和底物
据报道的乳酸化功能可以根据修饰是发生在组蛋白还是非组蛋白中来大致分类。组蛋白乳酸化被认为通过表观遗传机制调节基因转录，然而目前还不清楚组蛋白乳酸化是否普遍抑制或增强基因表达。此外，虽然已经报道了组蛋白乳酸化的潜在writer和eraser，但相应的reader仍然未知。
非组蛋白乳酸化被认为可以增强或抑制这些蛋白质的功能。例如，AARS1感知乳酸并转位到细胞核中以乳酸化YAP，维持其核定位并促进YAP激活；AARS1 介导的p53乳酸化抑制其相分离、DNA结合和转录激活，从而促进肿瘤发生。乳酸化也通过促进癌症中的 DNA 修复与化疗耐药有关。例如，负责维持基因组稳定性的MRE11-RAD50-NBS1（MRN）复合物的关键组分MRE11和NBS1都能发生乳酸化，对于复合物的形成和随后的DNA修复至关重要。
图2. 乳酸化促进肿瘤发生和化疗耐药的机制总结
乳酸化的特异性和效率较低
首先，蛋白质乳酸化比例较低，使得很难区分乳酸化是起主要调节作用还是仅仅是其他代谢过程的次要结果。其次，目前尚不清楚乳酸化和去乳酸化是由少数特定酶还是更广泛的酶介导。第三，用于研究乳酸化的分析可能无法准确反映体内环境的条件，例如，一些研究中使用的乳酸-CoA浓度远高于细胞中通常发现的浓度，这可能会扭曲结果并导致高估乳酸化在细胞过程中的作用。
缺乏操纵乳酸化的特异性工具
研究乳酸化的常用方法及其局限性如下：
（1）赖氨酸残基上乳基化位点点突变可能会改变蛋白质的内在特性并消除同一位点的其他PTM，尤其是乙酰化；
（2）乳酸补充或LDHA抑制，可广泛影响乳酸化以外的细胞过程，例如氧化还原平衡和免疫逃避/抑制；
（3）抑制糖酵解的上游调节因子，这可能导致比LDHA 抑制更广泛的副作用；
（4）具有吡咯赖氨酰-tRNA合成酶的正交翻译系统，这是位点特异性乳酸化的强大工具，其局限性是乳酸化水平无法精确控制，无法反映真实的病理生理条件。
图3. 乳酸化功能研究的注意事项
为了阐明乳酸化的真正功能，开发能够在病理生理条件下精确和特异性地专门操纵乳酸化水平的不同方法至关重要。
（1）具有吡咯赖氨酰-tRNA 合成酶的诱导型正交翻译系统以剂量依赖性方式选择性提高乳酸化水平。
（2）使用AARS1变体的敲入模型特异性抑制乳酸化形成。
小结
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