专家评述 | Nat Methods：郝海平/叶慧/王南溪新技术揭示乳酸化普遍存在人类蛋白组中

2022-07-17 11:21:18, 景杰生物杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物 | 报道

细胞中的信号转导在很大程度上依赖于蛋白质氨基酸侧链的翻译后修饰状态。近年来，在赖氨酸残基上发现的一系列新型酰化修饰如巴豆酰化[1]、丁酰化[2]、丙二酰化[3]、琥珀酰化[4]，扩展了我们对翻译后修饰与生命活动调控的认识。2019年芝加哥大学赵英明教授课题组首次报道了组蛋白上赖氨酸残基上发现乳酸化修饰 (原文链接：Nature重大突破：全新组蛋白乳酸化修饰调控癌症和炎症等疾病)[5]。组蛋白乳酸化修饰由乳酸衍生而来的，可在不同的生物学场景中具有和组蛋白乙酰化不重叠的转录调控功能。这无疑是解答了细胞是如何感知代谢变化、启动转录调节机制的一项重要发现。

2022年6月27日，中国药科大学郝海平/叶慧团队联合南京中医药大学王南溪教授在Nature Methods (IF=47.990) 发表题为Cyclic immonium ion of lactyllysine reveals widespread lactylation in the human proteome 的研究成果。该研究首次鉴定了携带乳酸化修饰赖氨酸的多肽所产生的特征环状亚胺离子，应用该离子从现有的非富集、大规模的人类蛋白质组数据资源中挖掘出全新的乳酸化修饰底物蛋白和位点的信息，并通过向代谢酶定点引入乳酸化修饰，初步确证了乳酸化发生在人类的非组蛋白底物上同样具有重要的调控功能。景杰生物为该研究提供了乳酸化修饰抗体(PTM-1401RM)。

磷酸化、乙酰化等翻译后修饰均可产生具有诊断意义的特征离子。乳酸化修饰是否也会产生诊断离子？为了验证此猜想，该团队提出在共享的海量人类蛋白质组数据库中探究乳酸化修饰是否存在新的底物蛋白。然而，从非富集的蛋白质组数据中检索修饰位点的假阳性率极高。若能发现修饰特异性的特征离子，则能通过谱图筛选显著降低假阳性率，揭示真实的目标修饰位点，指导后续的生物学功能探索。基于此需求，该团队通过合成和研究模型乳酸化肽段的谱图，首次发现了携带乳酸化修饰赖氨酸的多肽在质谱碰撞室中经过二级断裂会形成链状亚胺离子，该离子经过脱氨环化再形成次生碎片——环状亚胺离子。该团队通过分析化学修饰和生物样本中富集出的阳性乳酸化肽段，再以近十万条人类蛋白质组的非修饰合成肽段谱图作为阴性对照，确证了环状亚胺离子指征乳酸化修饰的灵敏度和特异性，能作为判定数据库搜索获得的乳酸化修饰新位点的金标准。

图1 从乳酸化肽中发现标志性的 CycIm 离子

基于该诊断离子策略，研究者针对现有的非富集、大规模人类蛋白质组数据资源，从中挖掘了大量全新的乳酸化修饰底物蛋白及其位点的信息。特别是从2020年Nature Methods [6]发表的多种人类细胞系的蛋白质组热稳定性Meltome Atlas数据资源里，研究发现乳酸化修饰高度富集在糖酵解通路代谢酶。其中，发生乳酸化修饰的代谢酶ALDOA在多种人类肿瘤细胞系中具有保守性，且修饰占位比高。由此研究人员提出乳酸化修饰能调节代谢酶活性等功能，进而调控糖酵解通路的猜想。并运用先进的化学生物学技术——基因密码子扩展技术，首次实现向靶蛋白ALDOA定点引入乳酸化修饰，发现乳酸化修饰后，酶活性显著降低，揭示了乳酸蓄积后，通过共价修饰糖酵解通路中上游代谢酶，抑制糖酵解活跃度的反馈调节机制，对生物化学领域现有的“终产物抑制”的调控模式进行了补充。

图2 乳酸化修饰能调节代谢酶活性等功能，进而调控糖酵解通路

综上，该研究表明乳酸化广泛存在于人类组织、细胞中，对非组蛋白的底物蛋白也具有调控功能。该分析策略有助于揭示乳酸更多的共价修饰靶标，为阐释乳酸化修饰在炎症、肿瘤等重大慢性疾病发生发展之间的因果关系，进而发现新的疾病治疗靶点提供线索。

专家评述

Nature Methods同期发布了普渡大学陶纬国教授 (W. Andy Tao) 题为“Uncovering ubiquitous protein lactylation”的评述，指出串联质谱法中的特征环状亚胺离子，能够可靠地鉴别蛋白质乳酸化，并发现组蛋白之外的广泛赖氨酸乳酸化修饰。

作为糖酵解的最终产物，乳酸长期以来一直被认为是一种废物。乳酸介导的发生在赖氨酸上的乳酸化修饰的发现，不仅为乳酸调控基因表达提供了分子基础，而且极大地扩展了乳酸代谢的生物学功能。Wan等人的研究，在含 Klac的肽的 MS/MS 光谱中发现了一个标志性片段离子，即环状亚铵 (cycIm) 离子，并用它来高可信度的识别新的乳酸化蛋白质和修饰位点，扩大了我们对乳酸化功能的理解。

这项研究的亮点是利用独特的碎片离子作为 Klac 的主要诊断特征来挖掘多个可公开访问的蛋白质组数据集，并检索组蛋白和非组蛋白上的许多新的 Klac 位点 (图 1)。研究发现人类蛋白质组中广泛存在的乳酸化，已鉴定的Klac蛋白不仅存在于细胞核，还存在于细胞质中。其中，许多参与糖酵解的酶，例如ALDOA，都被严重乳酸化。针对ALDOA K147上乳酸化的研究揭示了乳酸通过乳酸化触发糖酵解通路负反馈循环的新机制。

图3 蛋白质乳酸化被证明在蛋白组中广泛存在

研究结果还揭示了一个有趣的事实，即大多数这些保守的乳酸化位点，以前被报道为其他修饰 (例如乙酰化和泛素化) 的位点，印证了潜在的翻译后修饰Crosstalk。DHRS7蛋白在K321上的特定乳酸化，在所有人体组织样本中都是保守的，并且先前在同一位点上发现的甲基化和泛素化表明它具有潜在的重要性，并通过点突变实验验证了其相关性。探索乳酸化这种新发现的蛋白质修饰还有很多工作可展开。

作者简介

据悉，2019级博士研究生皖宁和2018级硕士研究生王念为本论文的共同第一作者，叶慧研究员、郝海平教授、王南溪教授为本文的共同通讯作者。该工作获得了王广基院士和江苏省药物代谢动力学重点实验室以及谭仁祥教授和中药品质与效能国家重点实验室 (培育) 的大力支持。

郝海平教授主要从事代谢调控与靶标发现/确证研究、中药及天然药物体内过程及作用机理研究。提出了“反向药代动力学”、代谢处置导向的作用靶标与机理研究的学术思想；在胆汁酸、色氨酸等内源活性代谢调控研究中取得重要研究成果。在Cell Metab, Nat Communm, Trends Pharmacol Sci 等发表代表性工作。

叶慧研究员致力于组学技术驱动的小分子靶标发现研究。旨在通过发现疾病状态下紊乱的内源性代谢物的结合靶标蛋白，阐明其调控模式，发现具有转化价值的治疗靶点。代表性工作发表于APSB, Redox Biol, Anal Chem, Mol Cell Proteomics等。

王南溪教授的研究兴趣集中在通过基因密码子扩展等技术开发新的蛋白质研究工具，从而探索生命过程和开发生物技术药物。代表性工作发表于JACS, Angew等。

郝海平/叶慧团队长期招收具有生物信息学、代谢调控、靶标发现等背景的博士生/硕士生，简历投递邮箱：haipinghao@cpu.edu.cn和cpuyehui@cpu.edu.cn；欢迎报考王南溪教授的博士生/硕士生，简历投递邮箱：nanxi.wang@njucm.edu.cn。

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