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，在細胞內(nèi)不斷累積？問題背后的分子機制至關(guān)重要，但目前仍缺乏充分的研究。
浙江大學生命科學研究院張龍教授團隊運用分子生物學和生物化學手段，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），以及它們在大腸桿菌中的同源蛋白質(zhì)AlaRS，揭示了AARS1/2感知乳酸后發(fā)揮介導蛋白組乳酸化的關(guān)鍵作用，闡明了乳酸堆積導致嚴重疾病的分子機理，為乳酸堆積導致的不良預后提供了全新的治療策略。北京時間9月25日，團隊在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)進行的，這一過程高效地將葡萄糖完全氧化。然而，在臨床實踐中觀察到，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。以腫瘤細胞為例，其胞內(nèi)乳酸濃度往往比正常細胞高出數(shù)十倍甚至上百倍。高乳酸水平不僅擾亂細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，還可能影響機體對疾病的抵抗力。因此，深入理解乳酸在人類疾病發(fā)展中的作用機制，對于開發(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）是細胞內(nèi)的免疫“監(jiān)視器”，它能夠識別胞內(nèi)異常出現(xiàn)的DNA，誘導下游產(chǎn)生干擾素信號，激活免疫系統(tǒng)。張龍團隊以人類巨細胞病毒為切入點，對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)負相關(guān)。這意味著乳酸會抑制cGAS的活性。
張龍團隊進一步地探究乳酸抑制cGAS活性的方式。通過體外孵育實驗，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-乳酸介導的cGAS抑制中起關(guān)鍵作用。實驗還顯示，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cGAS的乳酸化修飾來調(diào)節(jié)其活性。
為了鑒定出負責感知細胞內(nèi)L-乳酸并介導cGAS失活的基因，研究團隊在HT1080細胞系中進行了全基因組CRISPR篩選。結(jié)果顯示，敲低AARS1和AARS2后，細胞內(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失去識別和誘導免疫反應的能力。就像惡性腫瘤細胞，躲開了免疫監(jiān)視，不被機體識別而不斷增殖、轉(zhuǎn)移。
團隊進一步通過結(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，可能是因為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‘錯誤’地識別L-乳酸?！?/span>
研究乳酸化修飾的新工具
體外實驗表明， 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)生一個位點的乳酸化修飾?！斑@是自酰化修飾被報道半個多世紀以來，人們首次發(fā)現(xiàn)不依賴輔酶A的催化反應模式，該模式能夠?qū)⑵咸烟堑拇x產(chǎn)物L-乳酸和ATP共價修飾到蛋白質(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氨基端乳酸化對其功能的影響，研究團隊開發(fā)了一種遺傳密碼擴展正交系統(tǒng)，制備出位點特異且完全乳酸化的蛋白質(zhì)。該技術(shù)為檢測蛋白質(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，制備出位點特異且完全乳酸化的cGAS蛋白質(zhì)，可以直觀地觀測乳酸化的cGAS蛋白質(zhì)（cGASLac）與未乳酸化的對照蛋白質(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、熒光強度更高且流動性更好的液滴，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、熒光恢復能力低的液滴。值得注意的是，在與長鏈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流動性的液滴，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。
團隊在多種小鼠模型中驗證了乳酸化修飾對cGAS活性的抑制作用，再一次證實了，cGAS的乳酸化是抑制免疫監(jiān)視，導致疾病重癥的一個重要因素。
“后續(xù)，我們期望可以找到特異方式，抑制AARS1/2的乳酸識別能力，從而緩解高乳酸血癥?！睆堼堈雇?。
浙江大學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)科大學附屬第二醫(yī)院黃慧哲研究員的大力支持。本項目受國家杰出青年科學基金、國際合作重點項目和科技部重點研發(fā)計劃等項目的資助。
（文 查蒙/圖 朱原之）
