蛋白乳酸化：代谢 - 表观双向调控枢纽

研究背景
     生物体内存在一个核心的功能传导与执行路径：基因 → mRNA → 蛋白质 → 代谢。这揭示了遗传信息如何通过转录、翻译最终影响细胞代谢活动的基本规律。具体而言，基因经转录成为mRNA，mRNA经翻译形成蛋白质，蛋白质执行生理功能的过程中（尤其是蛋白酶催化功能）产生代谢产物，而代谢产物又可以反向影响蛋白修饰与基因表达，形成高度动态的生物学闭环。在这条生命网络中，乳酸化被视为连接代谢与表观遗传调控的关键纽带。

      蛋白质乳酸化修饰（Lactylation）是一种新型的蛋白质翻译后修饰，发生在赖氨酸残基上，广泛存在于细胞核、细胞质及线粒体中的各种蛋白。其中乳酸部分来源于糖酵解、谷氨酰胺分解等代谢途径，并可形成乳酰CoA或乳酰AMP中间体，最终在赖氨酸乙酰转移酶p300、CBP的介导下为各种蛋白添加乳酸化修饰，带有乳酸化修饰的蛋白也可以被去乙酰酶如HDAC1、SIRT2等介导去除乳酸化。乳酸化的形成主要包括两种机制：一是乙酰辅酶A与乳酸结合形成乳酰辅酶A，然后乳酰辅酶A在乳酰转移酶的作用下作为乳酸供体将乳酸结合到蛋白质的赖氨酸残基上形成乳酸化修饰（下图红色框线）；二是丙氨酰tRNA合成酶（AARS）直接与乳酸结合并催化赖氨酸乳酸化（下图蓝色框线）。


      乳酸曾长期被视为是无用的代谢废物，后来研究人员发现其还是重要的能量底物和信号调控因子。目前已知的乳酸化修饰主要有三种异构体：赖氨酸L-乳酸化（KL-la）、赖氨酸D-乳酸化（KD-la）和N-ε-（羧乙基）-赖氨酸（Kce）。其中L-乳酸化是研究最广、功能最明确的形式，细胞中的乳酸化修饰主要是L-乳酸化。


实验方法

     我们自研了乳酸化（酰化）一体化试剂盒，集成了蛋白质组样品前处理与Lac-K基序富集抗体：上游完成裂解、还原/烷基化、酶切和C18脱盐；下游采用Lac-K抗体进行免疫亲和富集（IAP），联用Spectronaut directDIA定量流程，并针对Orbitrap Astral与Bruker timsTOF HT/Ultra等高通量质谱平台优化，助您轻松完成零基础开始的PTM定量实验。


经典案例
心肌α-MHC K1897位点乳酸化缓解心力衰竭
     中国医科大学附属第一医院孙英贤教授团队在国际期刊 Cell Research（IF=28.1）发表题为 “α-myosin heavy chain lactylation maintains sarcomeric structure and function and alleviates the development of heart failure” 的研究论文，针对 α- 肌球蛋白重链（α-MHC）与肌联蛋白 Titin 互作调控心脏结构与收缩功能的未知机制展开探索，乳酸作为心肌关键能量底物，团队借助乳酸化修饰组学技术证实，心力衰竭状态下心肌细胞乳酸含量显著降低，会造成 α-MHC 赖氨酸 1897 位点（K1897）乳酸化修饰下调，削弱 α-MHC 与 Titin 的相互作用，最终诱发心力衰竭；研究证实 α-MHC K1897 位点乳酸化可直接调控二者蛋白结合，心衰模型小鼠及心衰患者心肌组织中该位点乳酸化水平均明显下降，构建 α-MHC K1897R 敲入突变小鼠后，该位点乳酸化修饰缺失，α-MHC 与 Titin 相互作用减弱，小鼠心脏结构与收缩功能出现明显损伤，团队同时鉴定出 p300、Sirtuin 1 分别是介导 α-MHC 乳酸化修饰的酰基转移酶与去酰基酶；通过化学干预或基因操作减少心肌乳酸生成，会进一步降低 α-MHC 乳酸化水平、破坏蛋白互作并加重心衰，反之补充乳酸钠、抑制心肌乳酸外排转运蛋白以提升胞内乳酸浓度，能够上调 α-MHC K1897 乳酸化、恢复 α-MHC-Titin 相互作用，进而缓解心衰损伤；该研究证实 α-MHC 乳酸化修饰处于动态调控状态，是维持心肌肌节完整结构与正常心功能的核心因素，心肌乳酸过度消耗、大量外排导致胞内乳酸不足，是心衰时 α-MHC K1897 乳酸化下降的核心诱因，首次阐明心脏代谢可通过乳酸依赖的蛋白修饰直接调控心肌肌节结构与心脏功能，为心力衰竭发病机制解析及靶向干预提供全新理论依据。
NBS1乳酸化调控化疗抵抗新机制

     实验设计：研究团队通过蛋白质组学与代谢组学对比化疗敏感/耐药胃癌组织，发现耐药组中糖酵解及乳酸水平显著升高；进而在细胞、PDX模型及类器官中用乳酸处理并结合4D乳酸化修饰蛋白质组学筛选到底物蛋白NBS1，通过质谱鉴定其K388位乳酸化修饰，明确乳酸化酶TIP60和去乳酸化酶HDAC3；利用点突变（K388R）、Co-IP及基因敲除验证乳酸化促进MRN复合体组装及同源重组修复（HRR）；最后用LDHA抑制剂司替戊醇（Stiripentol）干预，观察其对NBS1乳酸化、DNA修复及化疗（顺铂/放疗）敏感性的影响并开展联合治疗体内实验。

      结果与结论：研究发现肿瘤细胞Warburg效应产生的乳酸，经TIP60催化使NBS1发生K388乳酸化修饰，促进MRN复合体形成及DNA双链断裂修复，导致化疗耐药；抑制LDHA可降低NBS1乳酸化、削弱DNA修复并逆转耐药。司替戊醇作为LDHA抑制剂与化疗联用可显著抑制肿瘤生长、延长生存期。

分享