賴氨酸酰化修飾 (lysine acylation) 是一種廣泛存在的、進化上高度保守的蛋白質翻譯后修飾 (post-translational modifications, PTMs) 類型，通過表觀遺傳調控等方式，影響多種生理、病理進程。目前已知，代謝物質可以通過多種途徑影響賴氨酸酰化修飾 [1]，例如（1）脂肪酸活化形成脂酰CoA后，如乙酰CoA、琥珀酰CoA、β-羥脂酰CoA等，在組蛋白乙酰基轉移酶 HATs 和組蛋白去乙酰化酶 HDACs作用下，以酶促反應途徑調節蛋白質賴氨酸特定修飾水平；（2）某些二羧基脂酰CoA，如琥珀酰CoA、戊二酰CoA、3-甲基戊烯二酰CoA等，可通過分子內催化生成游離CoA-SH和高反應性環酸酐，以非酶促反應方式直接修飾賴氨酸；（3）其他代謝物，如NAD+、α-酮戊二酸，作為重要的輔助因子，還可以通過影響 (去) 修飾酶活性以調節PTMs。
乳酸 (lactate) 是細胞糖酵解途徑重要的含碳代謝產物，它的生物學功能因腫瘤細胞中Warburg effect的存在，而得到了研究廣泛關注。 作為一種手性化合物，乳酸通常以3種光學異構體形式存在，即D-體，L-體及外消旋體DL-體，其中，L-乳酸 (L-lactate) 是人體和大多數哺乳動物糖酵解代謝主要產生的物質，在腫瘤、敗血症、自身免疫性疾病等病理狀態下顯著增多，最高可達40 mM。最新研究表明，與其他脂肪酸類似，L-乳酸也可以形成相應的脂酰輔酶A —— L-乳酰CoA (L-lactyl-CoA)。更為重要的是，芝加哥大學趙英明教授則在Nature上首次報道，乳酸是重要的表觀遺傳調控分子，在“writer”組蛋白乙酰基轉移酶p300作用下，使組蛋白發生乳酸化修飾 K (L-la)，調控免疫激活過程中巨噬細胞極化相關基因表達 [2, 3]。然而，目前有關K (L-la) 的調控機制研究尚處於初期階段，乳酸化修飾“eraser”仍未見報道。
另一方面，細胞中D-乳酸 (D-lactate) 主要經由乙二醛酶代謝甲基乙二醛 (MGO) 等具有高糖化活性的α羰基醛產生，盡管正常細胞中D-乳酸濃度低至 nM級，但在特殊情況下 (如短腸綜合征)，血液中D-乳酸濃度也可達到3 mM。值得注意的是，有報道指出，乙二醛酶代謝中間產物——乳酰谷胱甘肽 (LGSH) 也可以通過非酶促反應的方式，直接修飾賴氨酸導致K (D-la) [4]。但是，K (L-la) 和 K (D-la) 之間存在怎樣的相互聯系，現在卻未有研究正面回答。
2021年3月，在生物預印本bioRxiv上傳的題為“Class I Histone Deacetylases (HDAC1‒3) are Histone Lysine Delactylases”研究文章中，芝加哥大學趙英明教授攜手哥本哈根大學Dominique O. Gaffney教授等研究人員首次詳盡檢測了所有18種HDACs對乳酸化修飾的潛在調控作用，發現 Ⅰ類HDACs (HDAC 1-3) 是體外最有效的賴氨酸乳酸化修飾“eraser”，其中HDAC1和3也在細胞中發揮去乳酸化活性。與此同時，研究人員還列出了多條關鍵證據，討論了K (L-la) 和 K (D-la) 之間的潛在聯系。景傑生物為此項研究提供了一系列修飾抗體，如乳酸化修飾抗體 (PTM-1401, 1406, 1407)、乙酰化修飾抗體 (PTM-101)、巴豆酰化修飾抗體 (PTM-501) 等。
一、組蛋白乳酸化修飾是K (L-la) 而非K (D-la)
在回答組蛋白乳酸化修飾到底屬於哪種類型時，研究人員在文中列舉了以下五條證據：（1）細胞內L-乳酸濃度遠遠大於D-乳酸；（2）L-乳酸可以直接增強組蛋白乳酸化修飾；（3）組蛋白上賴氨酸乳酸化修飾位點是特異性存在的；（4）K (D-la) 僅發生於與LGSH密切接觸的胞漿蛋白質中；（5）斑點印跡實驗表明泛乳酸化修飾抗體識別K (L-la) 的特異性明顯高於K (D-la) (圖1B)。因此，研究人員認為組蛋白乳酸化修飾是K (L-la) ，而非K (D-la) (注：下文中乳酸化修飾均為L-乳酸化，除非特別強調)。
圖1 在體外，HDACs對乳酸化修飾的影響
二、HDAC1-3是主要的乳酸化修飾“eraser”
隨后，研究人員發現，HEK293T細胞裂解物可以將乳酸化修飾基團從組蛋白賴氨酸ε-氨基上移除，而廣譜HDAC抑制劑TSA同樣引起了去乳酸化修飾作用 (圖1C)；值得注意的是，體外實驗中，重組蛋白HDAC1-3可以導致熒光耦聯肽段p53317-320發生去乳酸化修飾 (圖1D)；此外，HDAC1-3和SIRT1-3還可引起組蛋白 (包括H3K18和H4K5) L-乳酸化修飾水平降低 (圖1E)。以上這些體外實驗結果初步提示，常見的去乙酰化酶HDAC1-3和SIRT1-3也具有去乳酸化修飾能力 (HDAC1-3效力最強)，其中，HDAC3同時是最有效的L-和D-乳酸化修飾“eraser” (圖2)。
圖2 HDAC1-3對L-和D-乳酸化修飾的影響
三、HDAC1和3在細胞中發揮去乳酸化修飾作用
進一步研究發現，廣譜HDAC抑制劑 (丁酸鈉/TSA) 和HDAC1-3特異性抑制劑Apicidin處理Hela細胞都引起了全蛋白乳酸化修飾水平的增加，但是IIa HDAC抑制劑TMP195和sirtuin抑制劑NAM卻不能對乳酸化修飾水平產生影響，進一步驗證了HDAC1-3是乳酸化修飾的“eraser”。更為嚴謹地，研究人員進一步在Hela細胞中分別過表達HDAC1-3，這雖然未在整體層面上影響組蛋白乳酸化修飾，但卻明顯降低了H4K5乳酸化修飾水平；相反地，RNA干擾HDAC1則能明顯增加H4K5乳酸化修飾水平，而干擾HDAC2 表達則未對H4K5乳酸化產生影響。以上這些結果不僅表明HDAC1和3是細胞中主要調控組蛋白賴氨酸ε-氨基乳酸化的“eraser”，與此同時，也暗示着乳酸化修飾位點調控特異性以及其他“eraser”的存在。
圖3 細胞中HDAC1-3對乳酸化修飾的影響
四、HDAC3催化多種賴氨酸修飾能力的比較
除了介導去乙酰化、乳酸化修飾作用外，近期研究表明，HDAC3同樣參與賴氨酸巴豆酰化、β-羥基丁酰化修飾基團的去除過程。於是，研究人員隨后在體外實驗中比較了HDAC3對多種PTMs的催化效率，結果發現，HDAC3催化去L- 和D-乳酸化修飾活性最低，而I類HDAC結構中存在的組氨酸H134也使得其更傾向於結合K (D-la)。
圖4 HDAC3對多種PTMs的催化效率比較
總而言之，此項研究中利用熒光標記肽段、重組蛋白HDACs、Hela細胞系等多種實驗材料，首次系統性地探索了乳酸化修飾“eraser”，揭示了I類HDACs (HDAC1-3) 和SIRT1-3 的去乳酸化修飾活性，並且深入探討了HDAC1-3對細胞組蛋白乳酸化修飾的調控作用，這些結果為未來實現乳酸化修飾的精細調控奠定了堅實的理論基礎。最后，我們也祝願此項乳酸化修飾里程碑式研究能夠在不久的將來順利正式發表。
參考文獻：
1. Gianluca Figlia, Philipp Willnow, and Aurelio A. Teleman, et al., 2020. Metabolites Regulate Cell Signaling and Growth via Covalent Modification of Proteins. Development Cell.
2. Di Zhang, et al., 2019. Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature.
3. Erika L. Varner, et al., 2020. Quantification of lactoyl-CoA (lactyl-CoA) by liquid chromatography mass spectrometry in mammalian cells and tissues. Open Biol.
4. Dominique O. Gaffney, et al., 2020. Non-enzymatic Lysine Lactoylation of Glycolytic Enzymes. Cell Chem Biol.
5. Carlos Moreno-Yruela, et al., 2021. Class I Histone Deacetylases (HDAC1–3) are Histone Lysine Delactylases. bioRxiv.