表观遗传调控指在初级DNA序列不变的情况下基因表达发生改变，以组蛋白翻译后修饰、DNA甲基化等方式在肿瘤的进展中发挥重要作用[1]。组蛋白翻译后修饰主要表现为可逆、动态和保守，其添加和去除受特定酶“书写器(writers)”和“擦除器(erasers)”的调节，由“阅读器(readers)”读取转录信号，这种修饰改变组蛋白的构象后使染色体解螺旋从而控制肿瘤抑制基因和/或致癌基因的表达，以影响下游信号通路并促进各种生物事件[2]。随着质谱检测技术的发展已鉴定出许多新型翻译后修饰，如丁酰化修饰、琥珀酰化修饰、巴豆酰化修饰等，这些修饰与基因的表达以及DNA损伤修复等密切相关[3]。组蛋白翻译后修饰受外界环境和代谢的影响，打破基因转录激活和抑制之间的平衡导致疾病发生发展[4],因此，探索组蛋白修饰在疾病尤其 是恶性肿 瘤中的作用逐渐受到关注。

1、乳酸化修饰的发现及鉴定

乳酸作为糖酵解的终产物，在能量调节、伤口愈合及肿瘤生长和转移等方面起重要的作用[5]。随着质谱技术的发展，蛋白质的翻译后修饰种类及位点不断被扩展，赵英明团队[6]在2019年发现了一种新型组蛋白赖氨酸酰化修饰，即组蛋白赖氨酸乳酸化修饰(图1)。基于质谱检测发现组蛋白尾部氨基酸残基的质量偏移72.021道尔顿，通过化学修饰合成肽、细胞中鉴定的相应肽段进行质谱图谱对比，发现是在赖氨酸残基上添加乳酸基团所致，同时用同位素13C进行代谢追踪，证实外源性或内源性乳酸作为前体物质参与组蛋白赖氨酸乳酸化修饰[6]。

随着液相色谱-串联质谱等研究技术的发展，在真核及原核生物中均鉴定出大量乳酸化(lactylation, Kla)位点。在宫颈癌Hela细胞和小鼠骨髓来源的巨噬细胞中分别鉴定到26和16个组蛋白乳酸化位点[6]。在正常生理条件下，在肺组织中的141个蛋白质中鉴定出724个Kla位点[7]。胃癌AGS细胞中的1 014种蛋白质含有2 375个Kla位点，KEGG途径分析显示这些蛋白质明显富集于剪接体中[8]。在肝癌组织中分析发现了9 275个Kla位点，其中9 256个位点在非组蛋白上[9]。此外，应用定量蛋白质组学分析在原核生物大肠杆菌中发现了CobB靶向的 446个内源性Kla位点和YiaC靶向的79个候选Kla位点[10]。在真菌病原体Botrytis cinerea中的166种蛋白质中确定了273个Kla位点，这些蛋白质广泛分布于细胞核(36%)、线粒体(27%)和细胞质(25%)中[11]。同样，在弓形虫、大米等不同细胞类型和动物模型中也鉴定出了大量的Kla位点[12,13]。这些修饰位点的发现，证实了乳酸化修饰能够通过不同途径在生物体内参与调控，表明其在生物学过程调控方面存在潜在的研究价值。

图1 组蛋白乳酸化修饰示意图   

2、乳酸化修饰的调节

乳酸在“writer”p300作用下诱导组蛋白发生乳酸化修饰，从而激活基因转录[6,14];I类HDACs(HDAC1-3)和Ⅲ类HDACs(SIRT1-3)具有去乳酸化活性，Ⅰ类HDACs是最有效的“eraser”,且HDAC1和3去乳酸化活性最强，提示组蛋白乳酸化修饰是由调节酶添加和去除的，而不是自发的化学反应[15]。同样，NAD+依赖性去乙酰化酶SIRT3能通过促进非组蛋白去乳酸化抑制肝细胞癌(hepatocellular carcinoma, HCC)进展[16]。此外，在原核生物中，YdiF催化形成乳酸辅酶A后，YiaC将乳酸基团添加到特定蛋白后再由CobB清除乳酸基团，且CobB在体外和细胞内均能发挥去乳酸化活性[10]。

3、乳酸化修饰的功能

在真核生物中，乳酸化修饰在抗炎、肿瘤进展、血管生成等方面发挥关键作用。组蛋白乳酸化可通过巨噬细胞的作用防止炎症并促进肿瘤生长。PI3K的B细胞适配器(B cell adapter for PI3K,BCAP)作为Toll样受体(Toll-like receptors, TLRs)的上游调节器，是微生物刺激后激活糖酵解的必要条件[17]。在葡聚糖硫酸钠诱导的炎症性结肠炎中，与BCAP缺陷的巨噬细胞相比，野生型巨噬细胞能产生更多乳酸[18]。BCAP缺陷的BMDMs中添加外源性乳酸后可以纠正这一现象，并增强了组蛋白乳酸化水平使巨噬细胞从早期炎症特征向晚期修复性特征过渡[17]。研究发现乳酸处理骨髓巨噬细胞后可通过M2基因的表达(如Arg1)驱动肿瘤相关巨噬细胞极化为M2样表型(促肿瘤生长)[19]。此外，在B16F10黑色素瘤和LLC1肺部肿瘤的小鼠癌症模型，发现Arg1的表达与肿瘤相关巨噬细胞中组蛋白Kla水平正相关，但与乙酰化水平无关[6]。另一项研究表明线粒体自噬相关通路Numb/Parkin缺失能促进组蛋白泛乳酸化、H3K18la(组蛋白H3第18位赖氨酸残基乳酸化)上调和Syn和NSE等神经内分泌相关基因的转录从而影响神经内分泌前列腺癌和肺腺癌的预后[20]。H3K18la还能促进YTHDF2表达驱动眼黑色素瘤的发生[21]。同时，H4K12la作为一种活跃的表观遗传标记，诱导细胞周期相关基因表达失调导致甲状腺癌进展[22]。此外，MOESIN Lys72Kla能诱导调节性T(Treg)细胞分化，其通过TGF-βRI增强TGF-β信号转导，使下游SMAD3发生磷酸化以促进Treg细胞中叉头盒P3转录因子FOXP3的表达，使其发挥免疫抑制作用[23]。HIF-1α Kla促进透明质酸(hyaluronic acid, HA)结合蛋白KIAA1199(HIF-1α是KIAA1199的转录增强剂)转录增强以促进血管生成[24]。组蛋白乳酸化能显著提高干细胞的存活、自我更新和重新编程能力。转录因子Glis1能够将衰老细胞重新编程为多能干细胞，并提高基因组稳定性，在重编程的早期阶段，Glis1能直接结合并打开糖酵解基因的染色质提高糖酵解速率，细胞内乙酰-CoA和乳酸生成含量显著升高后能促进H3K27Ac和H3K18la表达，从而诱导细胞重编程[25]。

在原核生物中，与空pET28a载体的大肠杆菌相比，YiaC过度表达能上调Kla水平，而CobB通过擦除Kla增强PykF的活性以促进糖酵解和细菌生长[10]。鼠伤寒沙门氏菌衍生的脂多糖通过H4K8la富集在长链非编码RNA LNC000152启动子区域并降低抑制剂YY1与LNC000152的结合率来上调LNC000152表达以促进癌细胞的迁移和侵袭[26]。

4、组蛋白乳酸化修饰与恶性肿瘤

肿瘤微环境中乳酸堆积是癌症的共同特征，其诱导的组蛋白乳酸化通过扰乱基因转录间的平衡促进包括癌症在内各种疾病的发生发展[27,28]。研究表明组蛋白乳酸化与肿瘤、败血症[29,30]、阿尔兹海默症[31]、溃疡性结肠炎[32]等疾病密切相关。下文将简要介绍乳酸化修饰在恶性肿瘤中的研究进展。

4.1 眼黑色素瘤

眼黑色素瘤是成人最常见的原发性眼部肿瘤，复发率高且预后差[33]。YU等人[21]发现眼黑色素瘤组织及细胞系中组蛋白泛乳酸化水平明显升高，H3K18la诱导N6-甲基腺苷(N6-methyladenosine, m6A)修饰的阅读器YTHDF2过度表达，YTHDF2进一步与抑癌基因PER1和TP53 mRNA的m6A位点结合加速PER1和TP53 mRNA降解，从而加速眼黑色素瘤的发生，当抑制H3K18la后能有效抑制肿瘤进展。因此，该研究揭示了组蛋白乳酸化是肿瘤发生的一种新机制，为眼黑色素瘤的治疗提供了新方向。这也将组蛋白修饰与RNA修饰联系起来为肿瘤发生过程中的表观遗传调控提供了新的理解。

4.2 肝癌

HCC是导致癌症相关死亡的主要原因[34]。肝癌干细胞(liver cancer stem cells, LCSCs)参与直接原发肿瘤生长和继发肿瘤转移，损害抗肿瘤药物的有效性[35]。PAN等人[36]发现三萜类抗肿瘤化合物去甲泽拉木醛(demethylzeylasteral, DML)可通过降低H3K9la和H3K56la水平而抑制LCSCs的增殖从而抑制HCC进展，且组蛋白H3乳酸化水平与预后呈正相关。故DML可能是HCC辅助治疗的候选药物。

Kla作为一种新型组蛋白翻译后修饰在调节基因表达方面发挥重要作用，但Kla在非组蛋白中的作用尚不清楚。SIRT3作为组蛋白乳酸化修饰的“eraser”在HCC中低表达，由Honokiol激活的SIRT3通过抑制细胞周期蛋白E2(cyclin E2,CCNE2)K348la水平诱导HCC细胞凋亡[16]。此外，YANG等人[9]对前瞻性收集的乙型肝炎病毒相关的HCC队列进行的整体Kla的分析，Kla优先影响糖酵解、三羧酸循环等代谢途径的酶，如K28la通过抑制腺苷酸激酶2促进HCC细胞的增殖和转移。因此，Kla在调节细胞代谢方面发挥重要作用，并且能促成HCC进展。

4.3 结肠癌

肿瘤浸润髓系细胞(tumor-infiltrating myeloid cells, TIMs)是参与肿瘤免疫逃逸的重要细胞群之一，受多种表观遗传机制调控[37]。TIMs中甲基转移酶3(methyltransferase-like 3,METTL3)的表达与结肠癌预后相关[38,39]。XIONG等人[40]发现乳酸通过H3K18la诱导TIMs中METTL3转录增强，METTL3进一步介导m6A修饰 JAK1 mRNA,m6A-YTHDF1轴最后促进JAK1蛋白翻译和STAT3磷酸化，这从“代谢-表观-转录”层面揭示了H3K18la-METTL3-JAK1-STAT3 轴能介导TIMs的免疫抑制功能，也表明组蛋白乳酸化参与了TIMs介导的肿瘤免疫逃逸。同时在METTL3蛋白的“CCCH”锌指结构域中发现两个非组蛋白Kla修饰位点。此外，由于结直肠癌高表达β-连环素(β-catenin),而缺氧诱导的糖酵解促进β-catenin Kla后能增强β-catenin蛋白的稳定性和表达，同时β-catenin Kla介导wnt信号通路促进结直肠癌细胞和干细胞的增殖从而加剧了结直肠癌细胞的恶变行为[41]。另一研究表明H4K8la能诱导LINC00152过表达促进结直肠癌细胞的迁移和侵袭[26]。总之，这些发现均为结直肠癌的治疗拓展了新思路。

4.4 肾癌

透明细胞肾细胞癌(clear cell renal cell carcinoma, CCRCC)晚期患者预后差，5年生存率低于10%[42,43]。90%的CCRCC患者希佩尔林道(von Hippel-Lindau, VHL)抑癌基因突变，是CCRCC重要的分子病理变化[44,45]。在CCRCC中，非活性的VHL与组蛋白乳酸化修饰呈正相关，高水平的组蛋白乳酸化提示预后不良[46]。YANG等人[46]研究发现非活性的VHL诱导的H3K18la可激活血小板衍生生长因子受体β(the platelet-derived growth factor receptor β,PDGFRβ)转录，反之，PDGFRβ能诱导H3K18la, 从而形成一个致癌的H3K18la-PDGFRβ正反馈回路，靶向纠正H3K18la可抑制CCRCC细胞系786-O、A498细胞增殖和迁移。因此，靶向纠正环路可能是治疗CCRCC的一种新策略。

4.5 前列腺癌

前列腺癌是成年男性最常见的恶性肿瘤之一。LUO等人[24]研究发现在常氧条件下，HIF-1α Kla能够稳定HIF-1α的表达以促进KIAA1199转录增强，而KIAA1199参与糖酵解和血管生成，其表达与肿瘤分期以及血管生成标志物呈正相关；实验发现，基因敲除KIAA1199后能降低VEGFA、VE-cadherin、EphA2-P和解聚的HA的表达，在体内和体外均明显抑制血管生成。另一项研究发现Numb/Parkin通路在维持线粒体质量和正常膜电位中发挥重要作用，还是一个关键的代谢开关，当Numb/Parkin通路缺失后神经内分泌前列腺癌细胞中不仅含有大量低膜电位的破碎线粒体，还可诱导代谢重编程：加速糖酵解生成大量乳酸后促进组蛋白乳酸化高表达和神经内分泌相关基因的转录[20]。

4.6 其他肿瘤

在非小细胞肺癌中，乳酸能下调己糖激酶1(hexokinase, HK-1)和上调异柠檬酸脱氢酶(isocitrate dehydrogenase, IDH),研究表明H3K18la明显富集于HK-1和IDH3G启动子区域，说明乳酸至少部分通过组蛋白乳酸化介导的基因表达来调节细胞代谢[47]。研究发现甲状腺未分化癌高表达组蛋白乳酸化，致癌基因BRAFV600E能提高糖酵解速率以重整组蛋白乳酸化，导致H4K12la驱动的细胞周期相关基因表达失调[22]。同理，胃癌组织中组蛋白乳酸化表达高于癌旁组织，且Kla水平与预后有关，是胃癌潜在的预后标志物[8]。核仁纺锤体相关蛋白1(nucleolar and spindle associated protein 1,NUSAP1)属于微管相关蛋白，是胰腺导管腺癌的不良预后因子，它与c-Myc、HIF-1α结合形成转录调控复合体后定位到LDHA启动子区域以促进其表达，从而提高糖酵解速率；有趣的是，组蛋白乳酸化能抑制NUSAP1蛋白降解形成NUSAP1-LDHA-糖酵解-乳酸正反馈回路，从而加速胰腺导管腺癌的转移[48]。梓醇是一种类鸢尾苷，能提高caspase-3活性诱导线粒体凋亡最终促进癌细胞凋亡，同时调节乳酸化和2-羟基异丁酰化水平抑制乳腺癌进展[49]。

5、总结与展望

自2019年赵英明教授的团队首次证实乳酸化修饰存在以来，大量研究表明乳酸化修饰在恶性肿瘤中发挥关键作用。然而由于参与乳酸化修饰的writers、erasers和readers尚未完全明确，乳酸化修饰在生物体内调节生理功能的具体机制仍不清楚。但随着高通量检测技术的发展，相信越来越多的乳酸化修饰调节酶会被鉴定出来，乳酸化修饰的作用机制也将被揭示。此外，修饰位点的多样性使乳酸化修饰不仅能够发生在组蛋白上，在非组蛋白的赖氨酸残基中也有大量的乳酸化修饰位点，修饰位点的随机性和多样性增加了理解乳酸化修饰作用机制的难度。不过随着蛋白质修饰组学研究领域的应用和发展，不断有新的预测工具被研发出来帮助寻找乳酸化修饰位点[50,51]。

肿瘤微环境中的乳酸可以通过乳酸化修饰调控转录水平和蛋白活性，从而影响恶性肿瘤的进展已经得到证实，这表明针对乳酸和乳酸化修饰研发肿瘤治疗药物也成为了一种可能。因此，后续研究应当集中探索乳酸化修饰的调节机制，帮助我们系统地认识乳酸化在恶性肿瘤以及其他疾病中的发生和作用机制，为开发新型肿瘤靶向治疗药物提供理论基础。

基金资助:国家自然科学基金(编号:82260557);新锐肿瘤支持治疗课题研究公益项目(编号:cphcf-2022-012);

文章来源:章婷婷,赵调红,陈圆圆等.组蛋白乳酸化修饰在恶性肿瘤中的研究进展[J].现代肿瘤医学,2024,32(06):1137-1141.