Nature子刊：趙英明/張迪團隊等開(kāi)發(fā)區分蛋白質(zhì)乳酰化修飾同分異構體的新方法

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來(lái)源：生物世界

2024-07-22

賴(lài)氨酸乳酰化修飾，自2019年首次被報道之后，便因其在調控多種生理和病理過(guò)程中的潛在作用而受到廣泛關(guān)注。這一翻譯后修飾不僅為乳酸的非代謝功能研究開(kāi)辟了新的視角，而且提供了一種新的蛋白質(zhì)調控機制。賴(lài)氨酸乳酰化修飾有三種同分異構體：L-乳酰化（K_L-la）、D-乳酰化（K_D-la）以及羧乙基化（K_ce）。這三種修飾都可能由糖酵解過(guò)程中的代謝產(chǎn)物所誘導。盡管已有研究指出這些修飾在細胞中的潛在存在，但它們在細胞核中的廣泛分布情況以及與Warburg效應的關(guān)聯(lián)性仍然是當前研究中的一個(gè)未解之謎。

2024年7月20日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心張迪研究員，攜手四川大學(xué)戴倫治教授、威斯康星大學(xué)李靈軍教授以及芝加哥大學(xué)趙英明教授，在 Nature Chemical Biology 期刊發(fā)表了題為：Lysine L-lactylation is the dominant lactylation isomer induced by glycolysis 的研究論文。

該研究采用了正交技術(shù)區分了三種賴(lài)氨酸乳酰化修飾的同分異構體，并確立了L-乳酰化修飾在細胞響應糖酵解過(guò)程和Warburg效應中的核心作用。這一發(fā)現不僅深化了對蛋白質(zhì)翻譯后修飾異構體功能的理解，而且為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的分析方法和理論基礎。

Lysine L-lactylation is the dominant lactylation isomer induced by glycolysis 研究論文

圖1：賴(lài)氨酸乳酰化修飾的三種同分異構體

2019年，芝加哥大學(xué)趙英明教授團隊發(fā)表 Nature 論文上首次揭示了Warburg效應的產(chǎn)物L(fēng)-乳酸能夠驅動(dòng)一種新型蛋白質(zhì)修飾——賴(lài)氨酸乳酰化，張迪為該論文的第一作者。

隨后，該修飾的立體異構體修飾——賴(lài)氨酸D-乳酰化（KD-la）也被發(fā)現存在于細胞中。KD-la是通過(guò)乙二醛酶途徑產(chǎn)生的S-D-乳酰谷胱甘肽（LGSH）與蛋白質(zhì)發(fā)生的非酶催化反應形成。乙二醛酶途徑，一個(gè)高效的細胞解毒系統，由乙二醛酶1（GLO1）和乙二醛酶2（GLO2）兩種酶組成，GLO1將糖酵解副產(chǎn)品甲基乙二醛（MGO）與谷胱甘肽結合形成LGSH，而GLO2則將其水解，生成D-乳酸并再生谷胱甘肽。MGO的高反應性使其能與多種蛋白質(zhì)殘基反應，包括半胱氨酸、精氨酸和賴(lài)氨酸，其中與賴(lài)氨酸反應形成的N-ε-（羧乙基）賴(lài)氨酸（K_ce）已在細胞中發(fā)現，盡管其水平低于MGO衍生的精氨酸殘基修飾。目前，由于K_L-la、K_D-la和K_ce具有相同的分子量和結構相似性，通過(guò)高效液相色譜-質(zhì)譜（HPLC-MS）分析難以區分它們，且K_D-la和K_ce是否能響應細胞糖酵解的動(dòng)態(tài)變化尚不明確。

圖2：糖酵解通路調控K_L-la、K_D-la和K_ce三種乳酰化修飾異構體

為了解決這些基本問(wèn)題，研究團隊開(kāi)發(fā)并應用了一系列正交技術(shù)，涵蓋了分析化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)和免疫學(xué)方法，專(zhuān)門(mén)用于區分K_L-la、K_D-la和K_ce這三種乳酰化異構體。通過(guò)這些方法的建立和應用，該研究證明了K_L-la是細胞組蛋白上的主要乳酰化形式，其產(chǎn)生受高葡萄糖濃度和糖酵解過(guò)程的誘導，并且與代謝物乳酰輔酶A（lactyl-CoA）的濃度呈正相關(guān)。此外，該研究還發(fā)現，在糖酵解的下段途徑受阻或乙二醛酶系統功能不完整的情況下，K_D-la和K_ce可以產(chǎn)生并且受葡萄糖濃度影響，進(jìn)一步揭示了這些異構體在細胞代謝調節中的復雜性。

圖3：用生物正交方法區分三種乳酰化修飾同分異構體，并證明KL-la是細胞內組蛋白上的主要乳酰化形式

綜上所述，該研究不僅開(kāi)發(fā)了一套區分蛋白質(zhì)翻譯后修飾（PTM）異構體的創(chuàng )新方法，而且揭示了K_L-la作為細胞對糖酵解和Warburg效應的主要響應者的關(guān)鍵角色。這些成果不僅豐富了我們對細胞代謝調控機制的理解，而且為未來(lái)的研究提供了新的視角和工具，有助于深入探索乳酰化修飾在疾病發(fā)展和其他生物學(xué)過(guò)程中的作用。

北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張迪研究員、四川大學(xué)戴倫治教授、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校李靈軍教授以及芝加哥大學(xué)趙英明教授為論文共同通訊作者，北京大學(xué)張迪研究員、芝加哥大學(xué)高晉軍博士（目前擔任北京大學(xué)深圳研究院研究員）以及威斯康星大學(xué)麥迪遜分校朱致君博士為論文并列第一作者。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41589-024-01680-8

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