10月24日，《自然》雜志發(fā)表了芝加哥大學(xué)趙英明教授小組的一篇表觀(guān)遺傳蛋白修飾文章，首次揭示了組蛋白賴(lài)氨酸乳酸酰化(Kla)這個(gè)調控機制，并證明其在基因表達，微環(huán)境中改變巨噬細胞中的作用。作者首先用一系列化學(xué)和生化的方法，確認此修飾在組蛋白中的存在。13C標記實(shí)驗表明乳酸酰基來(lái)自乳酸，而乳酸來(lái)自葡萄糖降解。一系列的實(shí)驗證明細胞內源性乳酸的濃度，可以調控該組蛋白修飾的水平。作者以巨噬細胞作為模型初步探索了組蛋白Kla對細胞功能的影響，發(fā)現巨噬細胞激活后代謝發(fā)生變化、乳酸濃度的提高，進(jìn)而導致組蛋白Kla水平和基因表達的變化。體外生物化學(xué)實(shí)驗顯示Kla供體是乳酸酰輔酶，P300純化酶可以催化組蛋白Kla反應。有意思的是，在動(dòng)物腫瘤模型實(shí)驗中，作者發(fā)現組蛋白Kla的水平與腫瘤組織內的巨噬細胞乳酸濃度和缺氧相關(guān)，并且因此調節從inflammatory M1 表型轉變成anti inflammatory M2 表型。并且這個(gè)調節作用依賴(lài)于乳酸產(chǎn)生酶，LDHS. 這些結果表明這表觀(guān)遺傳學(xué)通道在調節免疫細胞功能方面有重要作用。
【藥源解析】：組蛋白不同位點(diǎn)的化學(xué)修飾是表觀(guān)遺傳調控的重要機制，甲基化、乙酰化、磷酸化是大家熟知的組蛋白修飾機制。但此前組蛋白的乳酸酰化未知，雖然乳酸是個(gè)高濃度代謝產(chǎn)物。因為細胞代謝產(chǎn)物會(huì )導致組蛋白賴(lài)氨酸乙酰化（Kac），所以作者推測細胞內濃度很高的乳酸也可能導致組蛋白賴(lài)氨酸乳酸酰化、并利用質(zhì)譜技術(shù)找到幾個(gè)組蛋白降解后的多肽似乎確實(shí)有Kla（分子量增加72）。為了證實(shí)這個(gè)發(fā)現，作者化學(xué)合成了乳酸酰化組蛋白多肽對照，結果HPLC保留時(shí)間、MS/MS圖譜與降解產(chǎn)物一致。識別Kla抗體也證明在細胞中組蛋白賴(lài)氨酸確實(shí)可以被乳酸酰化。作者在人、小鼠細胞中共發(fā)現28個(gè)Kla位點(diǎn)。
通過(guò)控制乳酸生物合成的酶活性和同位素標記作者發(fā)現組蛋白Kla水平與乳酸濃度正相關(guān)，這似乎是細胞監測和應對糖酵解產(chǎn)生乳酸變化的一個(gè)機制。早就知道缺氧改變細胞代謝模式、誘導糖酵解，作者發(fā)現缺氧也增加Kla水平、但對Kac無(wú)影響。促炎巨噬細胞M1比抗炎M2亞型更依賴(lài)有氧糖酵解，作者發(fā)現用LPS激活M1巨噬細胞后糖酵解和乳酸濃度增加、組蛋白Kla水平隨之增加，而且Kla多發(fā)生在Kac較低區域。RNA測序發(fā)現M1激活后促炎基因表達迅速增加但很快開(kāi)始恢復正常，而維持組織動(dòng)態(tài)平衡及M2 基因，如傷口愈合的基因（共1223個(gè)基因）表達卻穩步增加、并與組蛋白Kla水平高度相關(guān)。M0巨噬細胞用滅活革蘭氏陰性菌激活結果類(lèi)似。作者把這個(gè)機制叫做乳酸計時(shí)器，巨噬細胞接到命令啟動(dòng)急性免疫應答的同時(shí)已經(jīng)開(kāi)始利用Kla通路為收拾殘局做準備。通過(guò)改變乳酸供給作者證明乳酸濃度改變在先、Kla變化是結果，但這還不能證明Kla變化是基因表達改變的誘因，有數據表明剛剛獲得諾貝爾獎的HIFa也可能介導這個(gè)變化。作者在非細胞環(huán)境下通過(guò)酶反應乳酸酰化組蛋白，發(fā)現確實(shí)可以誘導類(lèi)似基因轉錄。
表觀(guān)遺傳蛋白參與調控基因表達，所以直接影響細胞功能。Kla是個(gè)全新調控機制，這個(gè)工作只考察了巨噬細胞、在其它細胞的作用還有待進(jìn)一步研究。乳酸因為濃度很高所以是細胞狀態(tài)的一個(gè)明顯標記物，因此也可能是多種生物過(guò)程把脈細胞環(huán)境的指標。一個(gè)大家熟知的現象是腫瘤中的Warburg效應，即腫瘤組織即使在氧氣充足時(shí)也使用效率更低的糖酵解作為能量來(lái)源。一個(gè)理論認為腫瘤擴張時(shí)能量供給不如物料供給更關(guān)鍵，而糖酵解可以更高效搜刮生物合成的原材料。因此腫瘤組織乳酸含量大大高于正常組織，可以想象腫瘤細胞可能會(huì )利用這個(gè)本幫特異信號設計下游的運作程序。生成、去除、閱讀Kla標記的蛋白因此可能成為新的抗癌靶點(diǎn)，似乎與Kla井水不犯河水的Kac標記已經(jīng)有多個(gè)藥物上市。
這個(gè)工作也顯示了質(zhì)譜技術(shù)在蛋白組研究中的威力。這個(gè)技術(shù)的通量和靈敏度驚人，甚至可以在單細胞水平大規模測量細胞表面的蛋白分布。趙教授是質(zhì)譜技術(shù)分析蛋白組的世界頂級專(zhuān)家，在蛋白修飾領(lǐng)域成就無(wú)出其右。腫瘤是異質(zhì)性具大的疾病。盡管如此，不同癌癥最常見(jiàn)的共同特點(diǎn)是the Warburg effect和產(chǎn)生高濃度的乳酸。雖然充分解折這個(gè)癌癥現象有利于制藥界利用這個(gè)癌癥代謝型式尋找新的抗癌途徑。表觀(guān)遺傳是制藥界高度關(guān)注的調控機制，今天這個(gè)工作為尋找優(yōu)質(zhì)藥靶提供了一個(gè)新方向。
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