10月24日，《自然》雜志發(fā)表了芝加哥大學(xué)趙英明教授小組的一篇表觀遺傳蛋白修飾文章，首次揭示了組蛋白賴氨酸乳酸?；?Kla)這個(gè)調(diào)控機(jī)制，并證明其在基因表達(dá)，微環(huán)境中改變巨噬細(xì)胞中的作用。作者首先用一系列化學(xué)和生化的方法，確認(rèn)此修飾在組蛋白中的存在。13C標(biāo)記實(shí)驗(yàn)表明乳酸酰基來自乳酸，而乳酸來自葡萄糖降解。一系列的實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞內(nèi)源性乳酸的濃度，可以調(diào)控該組蛋白修飾的水平。作者以巨噬細(xì)胞作為模型初步探索了組蛋白Kla對細(xì)胞功能的影響，發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞激活后代謝發(fā)生變化、乳酸濃度的提高，進(jìn)而導(dǎo)致組蛋白Kla水平和基因表達(dá)的變化。體外生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示Kla供體是乳酸酰輔酶，P300純化酶可以催化組蛋白Kla反應(yīng)。有意思的是，在動物腫瘤模型實(shí)驗(yàn)中，作者發(fā)現(xiàn)組蛋白Kla的水平與腫瘤組織內(nèi)的巨噬細(xì)胞乳酸濃度和缺氧相關(guān)，并且因此調(diào)節(jié)從inflammatory M1 表型轉(zhuǎn)變成anti inflammatory M2 表型。并且這個(gè)調(diào)節(jié)作用依賴于乳酸產(chǎn)生酶，LDHS. 這些結(jié)果表明這表觀遺傳學(xué)通道在調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞功能方面有重要作用。
【藥源解析】：組蛋白不同位點(diǎn)的化學(xué)修飾是表觀遺傳調(diào)控的重要機(jī)制，甲基化、乙酰化、磷酸化是大家熟知的組蛋白修飾機(jī)制。但此前組蛋白的乳酸?；粗m然乳酸是個(gè)高濃度代謝產(chǎn)物。因?yàn)榧?xì)胞代謝產(chǎn)物會導(dǎo)致組蛋白賴氨酸乙?；↘ac），所以作者推測細(xì)胞內(nèi)濃度很高的乳酸也可能導(dǎo)致組蛋白賴氨酸乳酸?；⒉⒗觅|(zhì)譜技術(shù)找到幾個(gè)組蛋白降解后的多肽似乎確實(shí)有Kla（分子量增加72）。為了證實(shí)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，作者化學(xué)合成了乳酸?；M蛋白多肽對照，結(jié)果HPLC保留時(shí)間、MS/MS圖譜與降解產(chǎn)物一致。識別Kla抗體也證明在細(xì)胞中組蛋白賴氨酸確實(shí)可以被乳酸?；?。作者在人、小鼠細(xì)胞中共發(fā)現(xiàn)28個(gè)Kla位點(diǎn)。
通過控制乳酸生物合成的酶活性和同位素標(biāo)記作者發(fā)現(xiàn)組蛋白Kla水平與乳酸濃度正相關(guān)，這似乎是細(xì)胞監(jiān)測和應(yīng)對糖酵解產(chǎn)生乳酸變化的一個(gè)機(jī)制。早就知道缺氧改變細(xì)胞代謝模式、誘導(dǎo)糖酵解，作者發(fā)現(xiàn)缺氧也增加Kla水平、但對Kac無影響。促炎巨噬細(xì)胞M1比抗炎M2亞型更依賴有氧糖酵解，作者發(fā)現(xiàn)用LPS激活M1巨噬細(xì)胞后糖酵解和乳酸濃度增加、組蛋白Kla水平隨之增加，而且Kla多發(fā)生在Kac較低區(qū)域。RNA測序發(fā)現(xiàn)M1激活后促炎基因表達(dá)迅速增加但很快開始恢復(fù)正常，而維持組織動態(tài)平衡及M2 基因，如傷口愈合的基因（共1223個(gè)基因）表達(dá)卻穩(wěn)步增加、并與組蛋白Kla水平高度相關(guān)。M0巨噬細(xì)胞用滅活革蘭氏陰性菌激活結(jié)果類似。作者把這個(gè)機(jī)制叫做乳酸計(jì)時(shí)器，巨噬細(xì)胞接到命令啟動急性免疫應(yīng)答的同時(shí)已經(jīng)開始利用Kla通路為收拾殘局做準(zhǔn)備。通過改變?nèi)樗峁┙o作者證明乳酸濃度改變在先、Kla變化是結(jié)果，但這還不能證明Kla變化是基因表達(dá)改變的誘因，有數(shù)據(jù)表明剛剛獲得諾貝爾獎的HIFa也可能介導(dǎo)這個(gè)變化。作者在非細(xì)胞環(huán)境下通過酶反應(yīng)乳酸?；M蛋白，發(fā)現(xiàn)確實(shí)可以誘導(dǎo)類似基因轉(zhuǎn)錄。
表觀遺傳蛋白參與調(diào)控基因表達(dá)，所以直接影響細(xì)胞功能。Kla是個(gè)全新調(diào)控機(jī)制，這個(gè)工作只考察了巨噬細(xì)胞、在其它細(xì)胞的作用還有待進(jìn)一步研究。乳酸因?yàn)闈舛群芨咚允羌?xì)胞狀態(tài)的一個(gè)明顯標(biāo)記物，因此也可能是多種生物過程把脈細(xì)胞環(huán)境的指標(biāo)。一個(gè)大家熟知的現(xiàn)象是腫瘤中的Warburg效應(yīng)，即腫瘤組織即使在氧氣充足時(shí)也使用效率更低的糖酵解作為能量來源。一個(gè)理論認(rèn)為腫瘤擴(kuò)張時(shí)能量供給不如物料供給更關(guān)鍵，而糖酵解可以更高效搜刮生物合成的原材料。因此腫瘤組織乳酸含量大大高于正常組織，可以想象腫瘤細(xì)胞可能會利用這個(gè)本幫特異信號設(shè)計(jì)下游的運(yùn)作程序。生成、去除、閱讀Kla標(biāo)記的蛋白因此可能成為新的抗癌靶點(diǎn)，似乎與Kla井水不犯河水的Kac標(biāo)記已經(jīng)有多個(gè)藥物上市。
這個(gè)工作也顯示了質(zhì)譜技術(shù)在蛋白組研究中的威力。這個(gè)技術(shù)的通量和靈敏度驚人，甚至可以在單細(xì)胞水平大規(guī)模測量細(xì)胞表面的蛋白分布。趙教授是質(zhì)譜技術(shù)分析蛋白組的世界頂級專家，在蛋白修飾領(lǐng)域成就無出其右。腫瘤是異質(zhì)性具大的疾病。盡管如此，不同癌癥最常見的共同特點(diǎn)是the Warburg effect和產(chǎn)生高濃度的乳酸。雖然充分解折這個(gè)癌癥現(xiàn)象有利于制藥界利用這個(gè)癌癥代謝型式尋找新的抗癌途徑。表觀遺傳是制藥界高度關(guān)注的調(diào)控機(jī)制，今天這個(gè)工作為尋找優(yōu)質(zhì)藥靶提供了一個(gè)新方向。
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