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乳酸 (lactate) 是哺乳動物糖酵解代謝中的主要產物，在腫瘤、敗血癥、自身免疫性疾病等病理狀態下顯著增多。其生物學功能因腫瘤細胞中存在的“瓦伯格效應(Warburg effect)”而得到廣泛關注。2019年，芝加哥大學Yingming Zhao教授團隊發現哺乳動物細胞內的乳酸可驅動形成一種新型組蛋白翻譯后修飾（PTM）——賴氨酸乳酰化（Kla），進而發揮重要的基因轉錄調控功能，從而為乳酸的非代謝功能提出了全新的見解。
作為糖脂代謝的關鍵器官之一，肝臟的多種病變與代謝異常密切相關。肝細胞癌（HCC）胞內因瓦伯格效應積聚的大量乳酸已成為其臨床特征之一。由此產生幾個科學問題：1）肝癌組織中積聚的乳酸是否會驅動形成乳酰化修飾？2）是否存在大量非組蛋白乳酰化修飾？3）乳酰化修飾如何影響肝癌的發生發展？
為探索、解決上述問題，復旦大學附屬中山醫院樊嘉院士、高強教授團隊與中國科學院上海藥物研究所黃河課題組合作繪制了肝癌組織乳酰化修飾圖譜，并開展了肝癌乳酰化功能研究。相關研究于2023年1月2日在Nature Metabolism雜志以“Lactylome analysis suggests lactylation-dependent mechanisms of metabolic adaptation in hepatocellular carcinoma”為題在線發表。
該研究共收集52位乙型肝炎病毒（HBV）相關HCC患者的癌與癌旁組織，進行了深入的乳酰化修飾組和蛋白質組分析，成功鑒定了9275個Kla位點和9140個蛋白質（圖1）。其中，9256個乳酰化修飾位點位于非組蛋白上，表明該修飾除了轉錄調控，可能涉及更為廣泛的生物學功能。重要的是，對Kla修飾底物的分析結果表明該修飾影響參與重要代謝途徑中的酶，包括糖代謝、三羧酸（TCA）循環、氨基酸代謝、脂肪酸代謝和核苷酸代謝，而且這些代謝途徑中蛋白質上較高的Kla水平與HCC的侵襲性臨床特征和驅動突變密切相關。
圖1. 肝細胞癌組織乳酸化圖譜繪制
研究團隊結合臨床數據對乳酰化修飾組數據進行深入挖掘，發現在增殖亞型較強患者腫瘤組織中ATP代謝相關腺苷酸激酶2 (AK2) 的Kla水平較高、預后較差。此外，AK2乳酸化程度較高的患者更容易出現腫瘤血栓，并且其致癌信號通路上調、與肝臟特異性代謝相關途徑和p53抑癌通路的下調，提示了AK2乳酸化與肝癌患者預后較差的潛在機制。為了進一步探索乳酸化AK2影響HCC的具體調控機制，該研究進行了一系列細胞水平實驗。實驗證實K28處的乳酸化抑制了AK2的激酶活性，導致細胞內能量紊亂，并促進HCC細胞的增殖、侵襲和轉移（圖2）。上述結果表明，Kla在調節細胞代謝中發揮重要作用，并可能通過異常代謝促進HCC進展。
圖2. AK2關鍵乳酰化位點功能研究
該研究首次系統全面繪制了肝癌組織Kla底物圖譜，揭示了Kla對肝癌細胞代謝具有廣泛和關鍵的調節作用，并通過實驗驗證了Kla調控代謝相關蛋白功能，為HCC的病程進展和治療干預提供了新的見解。
復旦大學附屬中山醫院博士研究生楊子劍、馬家強，上海藥物所黃河課題組嚴聰和碩士研究生彭攀攀為該論文的共同第一作者。復旦大學附屬中山醫院高強教授和上海藥物所黃河研究員為本文的共同通訊作者。本研究得到國家自然科學基金委、上海市科技重大項目的基金資助。
全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s42255-022-00710-w
標簽： 哺乳動物
