Nature | 乳酸调控关键蛋白SUMO化修饰以控制细胞周期和增殖

2023-04-23 11:10:30, 景杰生物杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物 | 报道

在细胞快速增殖过程中，尽管需要氧气供线粒体呼吸所用，但葡萄糖也可以通过糖酵解的方式高速率产生大量乳酸。这种特殊的代谢现象被称为有氧糖酵解（aerobic glycolysis），且长期以来一直与癌细胞的增殖有关。此外，在许多非转化细胞类型和微生物的增殖中也伴随着有氧糖酵解，这表明有氧糖酵解可能是一种普遍的增殖代谢表型。

糖酵解代谢的最终结果是ATP和乳酸的产生，而乳酸的产生与细胞质中NAD+的再生也是一致的。此外，ATP和NAD+对细胞生长和分裂所需的许多生物合成反应具有限制作用，因此乳酸生成速率与细胞合成代谢和增殖速率密切相关。虽然目前已有文献将细胞内乳酸含量高作为细胞增殖的一个指标，但累积的乳酸是否能直接调节细胞增殖过程尚未有报道。更进一步地说，细胞内乳酸的积累是否直接改变蛋白功能的机制也尚不清楚。基于此，作者对这些问题进行了探讨，阐释了一种由糖酵解代谢终产物乳酸积累启动的代谢调节机制。

2023年3月15日，哈佛医学院Edward T. Chouchani团队（中山大学Weihai Liu，Yun Wang，哈佛医学院Luiz H. M. Bozi及Patrick Fischer为该文章的共同第一作者）在Nature在线发表题为“Lactate regulates cell cycle by remodeling the anaphase promoting complex”的最新研究论文[1]。该研究采用一种系统性的方法来确定整个人类蛋白质组中依赖乳酸进行功能调节的蛋白质。根据这些数据，该研究进一步阐明乳酸直接调控后期促进复合体（APC/C）的重塑，以刺激细胞周期蛋白的定时降解，并在增殖的人类细胞中有效地退出有丝分裂，从而有效控制细胞周期和增殖进程。

为了确定乳酸丰度升高对整个蛋白质组的直接影响。研究人员应用基于质谱的热蛋白质组学分析（thermal proteomic profiling,TPP）系统地评估蛋白质热稳定性的变化。TPP是基于蛋白质受热变性导致不溶性的现象，它被用作生成蛋白质熔解曲线的基础。熔解曲线特征可以通过蛋白质的变化而改变，包括与小分子结合、翻译后修饰或蛋白质-蛋白质相互作用的变化。首先，作者将人胚胎肾细胞的裂解物置于载体、并使用15 mM或25 mM乳酸盐处理，在放置15分钟后进行TPP。在此过程中，作者监测了超过3900个蛋白质的乳酸依赖性热稳定性变化，其中表现出最稳定的热稳定性变化的蛋白是UBE2C。UBE2C是一种E2泛素连接酶，能够与复合物(APC/C)形成瞬时结合，是促进APC/C介导的周期蛋白B1和分离酶抑制蛋白（securin）泛素化所必需的。细胞周期蛋白的泛素化以这种方式影响它们的降解，是中期到后期转变和有丝分裂退出的主要控制点。进一步实验也表明高浓度乳酸中足以重塑APC/C以适应UBE2C结合，并产生启动周期蛋白B1和securin的泛素化的构象。

图1 乳酸调节APC/C蛋白的相互作用

接下来，为了进一步研究乳酸如何改变APC/C的构象以促进与UBE2C的结合，作者对APC/C进行了IP-MS分析，意外地观察到SUMO2/3偶联蛋白的乳酸依赖性升高。重要的是，调节SUMO化的蛋白质在有丝分裂过程中是必不可少的，此外APC4的SUMO化已被证明可以重新定位APC2的WHB结构域，允许更有效地激活APC/C。然而，以这种方式控制APC4的SUMO化以促进APC/C激活的机制尚不清楚。因此，作者很想了解乳酸是否可以稳定APC/C亚基的SUMO化，以及这些修饰是否与乳酸介导的APC/C重构有关。进一步地，通过IP实验证明，乳酸可以增强APC4与SUMO2/3的相互作用，促进APC4 K772和K798的SUMO化修饰。有趣的是，APC2在APC4附近有一个SUMO相互作用基序。基于APC/C的最新结构，APC2的SUMO相互作用基序与APC2 WHB结构域直接相邻，该结构域可结合UBE2C。因此，作者提出了一个模型，即乳酸介导的APC4的SUMO化通过APC4-SUMO2/3和APC2的SUMO修饰基序重新定向APC4-APC2的相互作用，而这种结构重塑为UBE2C结合APC/C提供了暴露在外的APC2 WHB结构域。

图2 乳酸升高APC4的SUMO化

随后，作者希望能够确定乳酸的直接作用靶点，以解释乳酸介导的APC4 SUMO化修饰水平的升高。首先他们考虑到在前期的研究中发现乳酸在细胞中蛋白SUMO化没有大量改变的情况下增强APC4-SUMO2/3互作，这表明SUMO通路和APC4之间可能存在特定的相互作用。由于去SUMO化酶的高活性，蛋白质SUMO化的稳态水平通常较低，而在SENP家族中，SENP1在有丝分裂进程中起主要作用，并可以减少APC4的SUMO化。在此基础上，作者推测SENP1可能是乳酸的直接抑制靶点来稳定APC4的SUMO化。为了支持这一假设，作者构建了SENP1基因缺失的细胞系，实验发现SENP1缺失升高了APC4的SUMO化水平，增强了UBE2C与APC/C的结合。此外，SENP1缺失的细胞中乳酸升高并不会导致APC4的SUMO化进一步增加。因此，乳酸介导的APC4 SUMO化需要SENP1。基于这些发现，作者进一步假设乳酸以某种方式抑制SENP1活性以稳定APC4的SUMO化。通过对SENP1的结构特征进行分析，作者发现人SENP1活性位点具有半胱氨酸蛋白酶的催化三联体特征，包括Cys603、His533和Asp550。不同寻常的是，SENP1在活性位点上还拥有一个Cys535，这就导致SENP1活性位点的结构特征与具有结合锌能力的口袋相似。通过使用ZincBind算法检测SENP1催化结构域的结构表明，几个残基表现出有利于锌结合的性质。进一步的生化实验也证明乳酸竞争性地在SENP1活性位点与锌形成复合物并抑制SENP1的去SUMO活性。

图3 乳酸与锌在SENP1活性位点形成复合物抑制APC4的去SUMO化

总得来说，该研究发现细胞中积累的乳酸通过在SENP1活性位点与锌形成复合物并抑制SENP1的去SUMO化活性，从而稳定APC4上K772/K798的SUMO化，从而驱动UBE2C与APC/C结合,以刺激细胞周期蛋白的定时降解，并在增殖的人类细胞中有效地退出有丝分裂，从而有效控制细胞周期和增殖进程。相反地，乳酸的过度积累会导致异常的APC/C重塑，并通过有丝分裂滑移克服抗有丝分裂药理作用。综上所述，该研究阐明了乳酸直接调节蛋白质功能以控制细胞周期和增殖的生化机制。