Nat Chem Biol | 芝加哥大学赵英明团队揭示L-乳酸化是最主要的乳酸化修饰

景杰生物 | 报道

蛋白质的翻译后修饰（PTMs）可通过改变其化学结构来调控蛋白质的功能，它可以被细胞代谢物如乙酰辅酶A、巴豆酰辅酶A等调控。这些代谢物不仅是修饰催化酶的前体，还可直接介导非酶促的PTMs形成。

2019年芝加哥大学赵英明教授课题组（第一作者张迪博士，现任职北京大学生命科学学院研究员）发现了一种新的组蛋白修饰——赖氨酸L-乳酸化（KL-la）。乳酸化修饰与糖酵解过程中产生的L-乳酸密切相关，在细胞代谢和基因表达调控之间起到桥梁作用。

然而，KL-la并非独立存在，它还有两种结构相似但立体化学不同的异构体：N-ε赖氨酸（羧乙基）（Kce）和D-赖氨酸乳酸化（KD-la）。这些异构体在分子水平上难以区分，且它们响应细胞糖酵解的动态变化尚不清楚。

2024年7月19日，芝加哥大学赵英明教授课题组，联合北京大学生命科学学院及北大-清华生命科学联合中心张迪研究员、四川大学戴伦治教授、以及威斯康星大学李灵军教授课题组，在国际权威期刊Nature Chemical Biology上在线发表了题为“Lysine L-lactylation is the dominant lactylation isomer induced by glycolysis”的最新研究成果。该研究通过分析化学和质谱方法成功区分了KL-la、KD-la和Kce三种修饰异构体，并阐明了KL-la是细胞中的主要乳酸化修饰，也强调了KL-la是糖酵解和Warburg效应的主要贡献。景杰生物为该研究提供了KL-la、KD-la和Kce特异性单克隆抗体。

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KL-la、KD-la和Kce的鉴定和区分

KL-la、KD-la和Kce具有相同的分子量和相似的结构，在分子水平上难以区分。为了分离这三种异构体，景杰生物原创开发了KL-la、KD-la和Kce的特异性单克隆抗体，通过免疫印迹检测和质谱分析证实三种抗体能够高特异性识别其相应的PTMs。

通过进一步的质谱分析发现，常规的合成肽段可以区分携带Kce的肽段，但无法分离携带KL-la或KD-la的肽段。为此，研究者通过引入额外的手性化学基团（扩大异构体在立体化学上的差异）和手性衍生化反应（广泛用于区分手性分子并确定其立体构型），最终成功建立了HPLC-MS/MS分析方法，可区分KL-la、KD-la和Kce肽段。

图1 HPLC-MS/MS分离含KL-la、KD-la和Kce的多肽

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KL-la是主要的乳酸化修饰类型

接下来，研究者探究了哪种组蛋白乳酸化在细胞中最常见。

为了提高检测的灵敏度和准确性，研究者通过SILAC标记蛋白质组学定量方法，使用KL-la、KD-la和Kce三种乳酸化泛抗体（PTM-1401RM、PTM-ZC288、PTM-1701RM），同时通过手性衍生化反应引入了额外的手性官能团，成功鉴定了包含三种不同异构体的肽段。结果证实：在细胞中，组蛋白上的赖氨酸乳酸化主要为KL-la。

图2 KL-la是细胞组蛋白上普遍存在的乳酸化修饰

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糖酵解主要影响KL-la水平

KL-la、KD-la和Kce都是由糖酵解的中间产物催化发生的翻译后修饰。然而，它们是如何响应糖酵解变化还缺乏系统性研究。

因此，研究者首先利用不同葡萄糖浓度的培养基培养人MCF-7细胞，并通过WB与质谱方法检测这些细胞的修饰水平。结果发现，不管是组蛋白还是非组蛋白，KL-la总水平都以剂量依赖性的方式被葡萄糖调控，而KD-la和Kce对葡萄糖浓度变化基本没有反应。

此外，通过抑制烯醇化酶(ENO)或乳酸脱氢酶(LDH)来干扰糖酵解，可发现烯醇化酶抑制剂以剂量依赖的方式降低了总体KL-la水平，而KD-la水平升高，Kce水平受到轻微影响。相反，乳酸脱氢酶抑制剂则降低了整体KL-la水平，但不影响KD-la或Kce水平。

乙二醛酶(GLO1)途径是从细胞代谢中去除化学反应副产物最有效的系统之一。因此，研究者探究了KL-la、KD-la和Kce是否受乙二醛酶途径的调节。研究发现：KL-la、KD-la和Kce在糖酵解过程中受到不同的调节，并且乙二醛酶途径可以阻止细胞中KD-la和Kce的形成，不会影响对糖酵解敏感的KL-la。

图3 糖酵解对KL-la、KD-la和Kce的调节存在差异

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在糖酵解反应中，乳酰辅酶A与KL-la相关

先前研究发现乳酰辅酶A是细胞KL-la形成的辅因子。该研究在细胞中证实了乳酰辅酶A的存在，同位素示踪实验也验证了乳酰辅酶A可以从L-乳糖和葡萄糖代谢中产生。

乳酰辅酶A是否受糖酵解调节？通过在烯醇化酶(ENO)或乳酸脱氢酶(LDH)被阻断的细胞中测量乳酰辅酶A，结果发现乳酰辅酶A水平均显著降低。由此表明乳酰辅酶A受糖酵解的动态调节，并与KL-la水平呈正相关。

图4 在糖酵解反应中，乳酰辅酶A与KL-la呈正相关

综上所述，研究运用分析化学和质谱方法成功地区分了KL-la、KD-la和Kce异构体，并阐明了这三种修饰在糖酵解过程中受到不同的调节。其中，KL-la是主要的乳酸化修饰，也是响应糖酵解变化的重要修饰。此外，研究还揭示了L-乳酸化的辅因子乳酰辅酶A受糖酵解的动态调节，与KL-la水平呈正相关，强调了KL-la在糖酵解和Warburg效应中的重要贡献。

景杰评述

值得一提的是，本研究在免疫化学等实验的基础上，运用了景杰生物原创开发的泛抗体和质谱分析方法，成功证实并区分了乳酸化修饰的三种异构体形式，为其他PTM异构体的区分提供了良好的范例和手段。重要的是，本研究证明了KL-la是主要的乳酸化修饰，是对现有的乳酸化修饰理论进行的重要补充，有助于更准确地理解相关生物学过程。

景杰生物作为乳酸化修饰研究的领跑者，可提供“从WB预筛选，乳酸化修饰组学分析，到运用丰富的乳酸化位点特异性抗体进行功能验证，再到后续的CUT&Tag分析”等全流程服务与产品。

依托于行业领先的质谱平台优势，景杰生物从上万例样品中积累了丰富的乳酸化研究经验，并解锁了常规样本的5万+乳酸化修饰位点的鉴定纪录。对于超微量样本 (0.2-0.4 mg肽段)，景杰也持续攻克难关，现可满足超微量样本的乳酸化检测要求。