乳酸在人體健康中扮演著重要的角色。乳酸的異常堆積與高發(fā)病率和高死亡率的癌癥及免疫系統(tǒng)疾病密切相關(guān)。乳酸是如何“躲開”免疫監(jiān)視，在細(xì)胞內(nèi)不斷累積？問題背后的分子機(jī)制至關(guān)重要，但目前仍缺乏充分的研究。
浙江大學(xué)生命科學(xué)研究院張龍教授團(tuán)隊(duì)運(yùn)用分子生物學(xué)和生物化學(xué)手段，發(fā)現(xiàn)了乳酸感知蛋白質(zhì)——丙氨酰-tRNA合酶1（AARS1）與合酶2（AARS2），以及它們?cè)诖竽c桿菌中的同源蛋白質(zhì)AlaRS，揭示了AARS1/2感知乳酸后發(fā)揮介導(dǎo)蛋白組乳酸化的關(guān)鍵作用，闡明了乳酸堆積導(dǎo)致嚴(yán)重疾病的分子機(jī)理，為乳酸堆積導(dǎo)致的不良預(yù)后提供了全新的治療策略。北京時(shí)間9月25日，團(tuán)隊(duì)在Nature雜志上發(fā)表了題為AARS1 and AARS2 Sense L-Lactate to Regulate cGAS as Globally Lysine Lactyltransferases的研究論文。
AARS1/2的“新底物”
在人體內(nèi)，正常的葡萄糖代謝是通過三羧酸循環(huán)進(jìn)行的，這一過程高效地將葡萄糖完全氧化。然而，在臨床實(shí)踐中觀察到，許多疾病狀態(tài)下存在葡萄糖代謝異常，表現(xiàn)為葡萄糖的不充分代謝和乳酸的過度積累。以腫瘤細(xì)胞為例，其胞內(nèi)乳酸濃度往往比正常細(xì)胞高出數(shù)十倍甚至上百倍。高乳酸水平不僅擾亂細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，還可能影響機(jī)體對(duì)疾病的抵抗力。因此，深入理解乳酸在人類疾病發(fā)展中的作用機(jī)制，對(duì)于開發(fā)新的治療策略具有重要意義。
環(huán)鳥苷酸-腺苷酸合成酶（cGAS）是細(xì)胞內(nèi)的免疫“監(jiān)視器”，它能夠識(shí)別胞內(nèi)異常出現(xiàn)的DNA，誘導(dǎo)下游產(chǎn)生干擾素信號(hào)，激活免疫系統(tǒng)。張龍團(tuán)隊(duì)以人類巨細(xì)胞病毒為切入點(diǎn)，對(duì)比感染患者血清中的L-乳酸含量與cGAS催化產(chǎn)物環(huán)鳥苷酸-腺苷酸（cGAMP）水平，發(fā)現(xiàn)了兩者的含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。這意味著乳酸會(huì)抑制cGAS的活性。
張龍團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步地探究乳酸抑制cGAS活性的方式。通過體外孵育實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)cGAS活性的抑制需要裂解液中特定蛋白質(zhì)的參與，表明存在輔助因子在L-乳酸介導(dǎo)的cGAS抑制中起關(guān)鍵作用。實(shí)驗(yàn)還顯示，cGAS活性的降低與cGAS乳酸化水平的升高呈現(xiàn)良好相關(guān)性，說明L-乳酸很可能通過促進(jìn)cGAS的乳酸化修飾來調(diào)節(jié)其活性。
為了鑒定出負(fù)責(zé)感知細(xì)胞內(nèi)L-乳酸并介導(dǎo)cGAS失活的基因，研究團(tuán)隊(duì)在HT1080細(xì)胞系中進(jìn)行了全基因組CRISPR篩選。結(jié)果顯示，敲低AARS1和AARS2后，細(xì)胞內(nèi)整體乳酸話修飾水平出現(xiàn)了顯著下降，說明AARS1和AARS2可能是乳酸感受器，并在乳酸化修飾過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
如果說，cGAS是“監(jiān)視器”，那乳酸化修飾就像蒙在監(jiān)視攝像頭上的一件“隱形衣”，使cGAS失去識(shí)別和誘導(dǎo)免疫反應(yīng)的能力。就像惡性腫瘤細(xì)胞，躲開了免疫監(jiān)視，不被機(jī)體識(shí)別而不斷增殖、轉(zhuǎn)移。
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)模擬發(fā)現(xiàn)，人源的AARS1/2和大腸桿菌AlaRS與L-乳酸的結(jié)合方式類似于L-丙氨酸。突變保守殘基后，這些酶結(jié)合L-乳酸的能力顯著下降，從而證實(shí)了丙氨酰-tRNA合酶能夠特異性地結(jié)合L-乳酸分子。
張龍說：“AARS1/2原本是丙氨酸的tRNA合酶。我們推測(cè)，可能是因?yàn)?/span>L-乳酸和L-丙氨酸具有相似的分子構(gòu)象，高乳酸環(huán)境下AARS1/2才會(huì)‘錯(cuò)誤’地識(shí)別L-乳酸?！?/span>
研究乳酸化修飾的新工具
體外實(shí)驗(yàn)表明， AARS1/2和AlaRS均能夠?qū)⒁环肿?/span>L-乳酸和一分子ATP直接催化產(chǎn)生一個(gè)位點(diǎn)的乳酸化修飾?！斑@是自?；揎棻粓?bào)道半個(gè)多世紀(jì)以來，人們首次發(fā)現(xiàn)不依賴輔酶A的催化反應(yīng)模式，該模式能夠?qū)⑵咸烟堑拇x產(chǎn)物L-乳酸和ATP共價(jià)修飾到蛋白質(zhì)上，直接改變重要蛋白質(zhì)的功能?！睆堼堈f，這一機(jī)制也揭示了乳酸作為一種代謝產(chǎn)物參與蛋白質(zhì)翻譯后修飾的主要途徑。
為了明確cGAS氨基端乳酸化對(duì)其功能的影響，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種遺傳密碼擴(kuò)展正交系統(tǒng)，制備出位點(diǎn)特異且完全乳酸化的蛋白質(zhì)。該技術(shù)為檢測(cè)蛋白質(zhì)發(fā)生乳酸化修飾后的功能，提供了有力工具。
本研究中，系統(tǒng)通過將乳酸化賴氨酸整合到cGAS蛋白質(zhì)中，制備出位點(diǎn)特異且完全乳酸化的cGAS蛋白質(zhì)，可以直觀地觀測(cè)乳酸化的cGAS蛋白質(zhì)（cGASLac）與未乳酸化的對(duì)照蛋白質(zhì)（cGASNon-Lac）在功能上的差異。
與cGASNon-Lac相比，cGASLac與45-bp ISD的結(jié)合能力更差。cGASNon-Lac與45bp DNA在體外快速形成較大、熒光強(qiáng)度更高且流動(dòng)性更好的液滴，而cGASLac與DNA結(jié)合能力弱，傾向于自我聚集形成小且呈凝膠狀、熒光恢復(fù)能力低的液滴。值得注意的是，在與長(zhǎng)鏈DNA如100-bp DNA或HT-DNA體外共孵育后， cGASNon-Lac能夠有效形成具有較強(qiáng)流動(dòng)性的液滴，而cGASLac傾向于聚集形成膠狀液滴。相較cGASNon-Lac，cGASLac的催化活性也受到了大幅度抑制。
團(tuán)隊(duì)在多種小鼠模型中驗(yàn)證了乳酸化修飾對(duì)cGAS活性的抑制作用，再一次證實(shí)了，cGAS的乳酸化是抑制免疫監(jiān)視，導(dǎo)致疾病重癥的一個(gè)重要因素。
“后續(xù)，我們期望可以找到特異方式，抑制AARS1/2的乳酸識(shí)別能力，從而緩解高乳酸血癥?！睆堼堈雇?。
浙江大學(xué)博士生李赫羽為本文第一作者，張龍為本文通訊作者。該研究得到了浙江大學(xué)林世賢研究員、茹衡研究員、楊兵研究員、宋海教授、陸華松研究員和重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院黃慧哲研究員的大力支持。本項(xiàng)目受國家杰出青年科學(xué)基金、國際合作重點(diǎn)項(xiàng)目和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
（文 查蒙/圖 朱原之）
