AARS1

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。 高乳酸水平驱动乳酸化 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。 参与乳酸化的底物和酶 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 乳酸化的生物学意义：基因转录和蛋白质功能 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 明确乳酸化生物学功能面临的挑战 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 验证乳酸化真实功能的研究策略 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 尽管乳酸化具有潜在的重要性，但证明其与特定表型之间存在因果关系的明确证据仍有待进一步阐明。因此，开发能够精确、特异性地操纵病理生理条件下乳酸化水平的方法将更清楚地了解乳酸化在癌症中的作用。

*仅供医学专业人士阅读参考 我依然记得，在我们之前一篇介绍运动有益健康的文章留言区，有一个读者留言说，ta有时会在剧烈运动之后感冒发烧。 当时我真是百思不得其解，所以那位读者的留言给我留下了很深刻的印象。 就在前两天，我看到《自然》杂志发表的一篇论文[1]，突然又想起了那个读者的留言，因为我意识到，这项研究成果可能是就是潜在的原因之一。 这篇研究论文是浙江大学张龙团队发的，论文的第一作者是浙江大学博士生李赫羽。他们发现，在乳酸水平较高的情况下，细胞里的丙氨酰-tRNA合成酶1和2（AARS1/2）会感受到乳酸的存在，然后AARS2会用乳酸将参与抗病毒先天性免疫反应的cGAS乳酸化，导致cGAS失活[1]。如此一来，抗病毒先天免疫反应就被抑制了。 这项研究成果，很好地解释了为什么包括肿瘤在内的很多严重疾病都会出现乳酸水平升高这一现象。因为高水平的乳酸，可以建立免疫抑制微环境，有助于疾病的进展。 ▲ 论文首页截图 说起乳酸化，长期关注我们的读者朋友一定很熟悉。 蛋白乳酸化修饰现象，最早是由芝加哥大学赵英明团队在2019年报道。 当时他们发现，乳酸可以以乳酸化的表观遗传学修饰形式，连接到巨噬细胞组蛋白上，调控相关基因的开关，促使巨噬细胞从促炎、抗癌的M1型，向抗炎、促癌的M2型转变[2]。 由于肿瘤在发展的过程中会产生乳酸，乳酸化与癌症进展之间的关系受到广泛的关注。例如，今年2月份，我们报道了苏州大学周芳芳团队的发现，乳酸化会导致抑癌蛋白p53失活，进而促进癌症的进展[3]；今年7月份，中山大学张常华/何裕隆/尹东等人发现，乳酸化还会促进癌细胞修复DNA损伤，帮助癌细胞抵抗放化疗[4]。 不难看出，研究进展非常迅速。在这5年期间，也有很多人开始研究乳酸化这个现象背后的分子机制。周芳芳团队就发现，AARS1是乳酸化的关键酶[3]。从张龙团队的投稿时间在2022年来看，他们应该也是在同一时间发现了调节乳酸化的关键酶[1]。不过，张龙团队的切入点与之前的研究不同，他们从病毒感染入手。 张龙团队在分析人巨细胞病毒（HCMV）感染患者的血液成分之后发现，与那些血液乳酸水平高（H-Lac）或出现乳酸酸中毒（LA）的患者相比，乳酸水平正常的患者血液中cGAMP（病原物双链DNA激活cGAS后形成的）和IFNβ浓度更高。 此外，在血液乳酸水平高（H-Lac）或出现乳酸酸中毒（LA）的HCMV感染者血液中，cGAMP和IFNβ的水平与乳酸成反比。不难看出，乳酸在影响人体的抗病毒反应。 ▲ 乳酸、cGAMP和IFNβ的水平差异非常显著 接下来，张龙团队在细胞中探索了乳酸调节抗病毒免疫反应的原因。 他们发现，细胞膜上的单羧酸转运蛋白（MCT1）是摄入乳酸的关键蛋白，抑制MCT1的活性可以降低细胞内乳酸的水平。 基于MCT1编码基因敲除及病毒感染实验，他们证实，确实是MCT1介导的乳酸摄取，抑制了cGAMP合成和先天免疫监视。 由于cGAMP的合成受cGAS调控，因此张龙团队检测了乳酸对cGAS活性的影响。他们发现，将乳酸与cGAS放在一起，不会影响cGAS的活性，但是在引入未高温处理的细胞裂解液之后，乳酸就会降低cGAS的活性。 此外，他们还发现，cGAS活性的降低与乳酸化水平升高密切相关。而且，与基本未乳酸化的cGAS相比，完全乳酸化的cGAS几乎完全丧失了产生cGAMP的酶活性。 不难看出，细胞质中存在一种酶，可以用MCT1运进细胞的乳酸乳酸化cGAS。 ▲ 中间究竟是谁呢？ 是时候在全基因组范围内开展地毯式排查了。 这一筛，发现不少相关基因，不过排名靠前的主要是AARS2、AARS1和MCT1三个。MCT1是负责吸收乳酸的，被筛出来挺正常的。 酶如其名，前面介绍过，AARS2和AARS1的中文名是丙氨酰-tRNA合成酶，它们的功能是将丙氨酸与tRNA连接起来。不过张龙团队发现，AARS2和AARS1不仅能与乳酸结合，而且二者的亲和力与AARS1/2和丙氨酸相当，AARS2与乳酸的解离常数（Kd）为7.5μM，AARS1为16.7μM。 从细胞整体来看，在敲除AARS1或AARS2之后，细胞整体乳酸化水平降低；同时敲除二者的话，细胞内几乎就检测不到乳酸化信号了。如果过表达二者之一的话，细胞整体乳酸化水平会增加，不过AARS1和AARS2乳酸化的底物存在差异。 ▲ AARS1和AARS2的乳酸化底物有重叠，但差异更大 那谁是cGAS的乳酸化酶呢？ 张龙团队在小鼠和人细胞系中分析了AARS1和AARS2对cGAS的乳酸化情况。 研究结果显示，在人和小鼠细胞中，AARS2才是cGAS的乳酸化的关键酶。 后续的结果还发现，cGAS蛋白N端的Lys131位点被AARS2乳酸化，导致乳酸化的cGAS失去了正电荷，降低了其与DNA的亲和力。具体来说，与没有乳酸化的cGAS相比，乳酸化的cGAS与DNA的亲和力低100多倍。 ▲ 乳酸化导致cGAS与DNA的亲和力暴跌 张龙团队还基于小鼠模型，证实cGAS的乳酸化会在体内发挥免疫抑制功能。 值得注意的是，在研究的最后，张龙团队基于焦虑小鼠模型，发现乳酸介导的cGAS抑制，与焦虑（血清乳酸水平升高）导致的免疫监视功能低下有关。 好消息是，阻断乳酸转运蛋白MCT1的活性，可阻止乳酸转运到先天性免疫细胞内，从而避免cGAS被乳酸化，恢复细胞的先天性免疫监测功能。 ▲ 机制示意图 总的来说，张龙团队这项研究成果较全面的揭示了乳酸调节的乳酸化分子机制，并发现了高乳酸水平导致免疫抑制的原因，以及破解的办法。 鉴于乳酸化还与肿瘤等多种疾病密切相关，这项研究成果有望给这些疾病带来新的疗法。 奇点糕近期推出了《2024ASCO年会深度盘点》课程，为大家系统盘点了2024ASCO年会上实体瘤领域的重磅进展，让您在100分钟内迅速深入把握前沿。 长按识别下图中的二维码即可购买，购买后您可以在「奇点网小程序」收听，或下载奇点网「医学奇点」苹果客户端收听。 如果遇到任何技术问题大家可以戳我们下图中的客服小伙伴来解决~~ 参考文献： [1].Li H, Liu C, Li R, et al. AARS1 and AARS2 sense L-lactate to regulate cGAS as global lysine lactyltransferases. Nature. Published online September 25, 2024. doi:10.1038/s41586-024-07992-y [2].Zhang D, Tang Z, Huang H, et al. Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature. 2019;574(7779):575-580. doi:10.1038/s41586-019-1678-1 [3].Zong et al., Alanyl-tRNA synthetase, AARS1, is a lactate sensor and lactyltransferase that lactylates p53 and contributes to tumorigenesis. Cell. 2024. doi:10.1016/j.cell.2024.04.002 [4].Chen H, Li Y, Li H, et al. NBS1 lactylation is required for efficient DNA repair and chemotherapy resistance. Nature. 2024;631(8021):663-669. doi:10.1038/s41586-024-07620-9 本文作者丨BioTalker

引言 乳酸的异常堆积与多种疾病密切相关，包括肿瘤、炎症、缺血性损伤、纤维化和器官移植失败等【1,2】。在癌症和免疫系统紊乱中，乳酸堆积都导致不良预后【3】。然而，胞内积累的乳酸是如何被被感知的？乳酸感知后能触发什么样的下游信号通路并产生什么样的级联效应？这些都是未解之谜。 2024年9月25日，浙江大学张龙课题组在Nature杂志上发表了题为AARS1 and AARS2 Sense L-Lactate to Regulate cGAS as Globally Lysine Lactyltransferases的研究论文，发现丙氨酰-tRNA合酶1（AARS1）与合酶2（AARS2），以及它们在大肠杆菌中的同源蛋白AlaRS能够感知L-乳酸积累，发挥介导蛋白组乳酸化的关键作用。通过结合L-乳酸，AlaRS和AARS1/2均能够将一分子乳酸和一分子ATP直接催化产生一个位点的乳酸化修饰。这是自酰化修饰发现半个多世纪以来首次报道不依赖辅酶A的催化反应过程，该反应实际上是将1分子葡萄糖的代谢产物（乳酸+ATP）完全利用，通过共价加成到蛋白上直接改变重要蛋白的功能。 乳酸相关重症大多与固有免疫低下或自身免疫紊乱相关。在高乳酸条件下，AARS2与环鸟苷酸-腺苷酸合成酶（cGAS）相互作用，直接介导cGAS蛋白N-端（人源cGAS-Lys131位点和鼠源cGAS-Lys156位点）发生乳酸化修饰，从而抑制cGAS结合DNA和产生环鸟苷酸-腺苷酸（cGAMP）的能力，导致胞内免疫应答的失败。通过将乳酸化的cGAS蛋白—cGASLac—与未乳酸化的对照蛋白（cGASNon-Lac）对比发现，cGASLac与45-bp ISD的结合能力显著降低。未乳酸化的cGASNon-Lac与45bp DNA在体外快速形成较大、荧光强度更高且流动性更好的液滴，而乳酸化的cGASLac与DNA结合能力弱，倾向于自我聚集形成小且呈凝胶状、荧光恢复能力低的液滴。值得注意的是，在与长链DNA如100-bp DNA或HT-DNA体外共孵育后，未乳酸化的cGASNon-Lac能够有效形成具有较强流动性的液滴，而乳酸化的cGASLac倾向于聚集形成胶状液滴。相较cGASNon-Lac，cGASLac的催化活性也受到了大幅度抑制。最后，作者在多种小鼠模型中，验证了乳酸化修饰对cGAS活性的抑制作用。因此，cGAS的乳酸化是抑制免疫监视，导致疾病重症的一个重要因素。 该研究不仅揭示了AARS1/2作为乳酸感知蛋白和乳酸化修饰泛酶的的重要角色，还阐明了乳酸堆积致疾病重症的机理。在本文2年多的审稿和修稿过程中陆续有多篇文章报道了AARS1和AARS2的类似功能【4-6】，这些研究共同携手开辟了崭新的领域和未来新的征程。 参考文献 1 Zhang, D. et al. Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature 574, 575-580, doi:10.1038/s41586-019-1678-1 (2019). 2 Certo, M., Llibre, A., Lee, W. & Mauro, C. Understanding lactate sensing and signalling. Trends Endocrinol Metab 33, 722-735, doi:10.1016/j.tem.2022.07.004 (2022). 3 Li, X. et al. Lactate metabolism in human health and disease. Signal Transduct Target Ther 7, 305, doi:10.1038/s41392-022-01151-3 (2022). 4 Mao, Y. et al. Hypoxia induces mitochondrial protein lactylation to limit oxidative phosphorylation. Cell research 34, 13-30, doi:10.1038/s41422-023-00864-6 (2024). 5 Ju, J. et al. The alanyl-tRNA synthetase AARS1 moonlights as a lactyltransferase to promote YAP signaling in gastric cancer. J Clin Invest 134, doi:10.1172/jci174587 (2024). 6 Zong, Z. et al. Alanyl-tRNA synthetase, AARS1, is a lactate sensor and lactyltransferase that lactylates p53 and contributes to tumorigenesis. Cell 187, 2375-2392.e2333, doi:10.1016/j.cell.2024.04.002 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07992-y 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述