摘要：乳酸是糖酵解代谢的产物，作为能量来源、糖异生前体和信号分子在代谢过程中发挥重要作用。同时，乳酸还可转化为乳酰辅酶A，作为蛋白质乳酸化过程中的乳酰供体，参与细胞信号传导等多种生命活动过程。但是，目前科学界还未发现哺乳动物中的乳酰辅酶A合成酶，乳酰辅酶A的合成及其
乳酸是糖酵解代谢的产物，作为能量来源、糖异生前体和信号分子在代谢过程中发挥重要作用。同时，乳酸还可转化为乳酰辅酶A，作为蛋白质乳酸化过程中的乳酰供体，参与细胞信号传导等多种生命活动过程。但是，目前科学界还未发现哺乳动物中的乳酰辅酶A合成酶，乳酰辅酶A的合成及其参与蛋白质赖氨酸乳酸化修饰的机制仍不明确。另外，尤其在肿瘤细胞中，致癌信号如何调控组蛋白乳酸化及其下游相关基因转录也不清楚。
2024年11月18日，浙江大学转化医学研究院、浙江大学医学院附属第一医院、国家基础科学中心及浙江大学基础交叉研究院吕志民教授团队与Rice University陶一之团队合作，在Cell Metabolism（IF=27.7）期刊上发表了题为“ACSS2 acts as a lactyl-CoA synthetase and couples KAT2A to function as a lactyltransferase for histone lactylation and tumor immune evasion”的文章。该研究首次发现了哺乳动物细胞中的乳酰辅酶A合成酶——ACSS2，能够将乳酸脱氢酶A（LDHA）产生的乳酸直接转化为乳酰辅酶A。填补了之前在哺乳动物中关于乳酸辅酶A合成酶的知识空白。
该研究运用乳酸化修饰系列抗体验证，揭示了ACSS2作为乳酸辅酶A合成酶与KAT2A作为乳酸转移酶的全新功能。阐明了当表皮生长因子（EGF）激活EGFR通路时，ERK磷酸化介导的ACSS2核转位促进了LDHA/ACSS2/KAT2A复合物的形成，该复合物作为乳酰转移酶，促进了组蛋白乳酸化、基因表达、肿瘤生长和免疫逃逸。景杰生物为该研究提供了乳酸化修饰系列抗体。
01
KAT2A是EGFR激活肿瘤细胞中主要的组蛋白乳酰转移酶
鉴于表皮生长因子受体（EGFR）的激活会促进肿瘤细胞中的Warburg效应，进而导致乳酸含量增加。因此研究为明确肿瘤细胞中EGFR对乳酸化的影响，在体外给与肿瘤细胞EGF刺激，检测细胞内整体乳酸化水平，利用景杰生物乳酸化修饰系列抗体，结合免疫荧光和免疫印记实验均显示整体乳酸化修饰水平显著上调，尤其是组蛋白H3K14la和H3K18la。
进一步为了明确EGFR激活的H3组蛋白乳酸化的“writer”,分别检测了P300、CBP和KAT2A，结果显示只有敲除KAT2A才可以显著改变H3组蛋白乳酸化修饰。接着，研究人员通过分析KAT2A蛋白晶体结构，发现R533位点是与乳酸基团的结合位点。点突变实验显示，KAT2A中的R533位点可特异性结合乳酰辅酶A，增强了KAT2A与乳酰辅酶A的结合能力。
图1 KAT2A是EGFR激活肿瘤细胞中主要的组蛋白乳酰转移酶
02
ACSS2与KAT2A结合，共同促进组蛋白H3乳酸化
由于KAT2A还可以调控其他酰化修饰并且乳酰辅酶A的含量远低于其他辅酶A，因此研究人员推测特定区域产生的乳酰辅酶A作为组蛋白乳酸化的原料。为验证该猜想，研究人员首先利用质谱分析确定了与KAT2A互作蛋白，结果显示EGF处理后可显著增强全细胞，尤其是细胞核中的KAT2A与ACSS2相互作用。
进一步，结合ACSS2的核定位序列，突变关键位点E299/E301均可显著降低EGF诱导的KAT2A与ACSS2的相互作用以及组蛋白乳酸化修饰水平。同时，研究人员还系统评估了ACSS2入核结合蛋白，结果显示ACSS2只与importin α5结合。EGF处理可以激活ACSS2 S267磷酸化修饰，促进其发生核移位。以上结果表明，EGF诱导的、ERK介导的ACSS2 S267位点磷酸化促进与importin α5结合，ACSS2发生核转位并随后与KAT2A相互作用。
图2 ACSS2与KAT2A结合，共同促进组蛋白H3乳酸化
03
ACSS2可作为乳酰辅酶A合成酶
基于ACSS2作为乙酰辅酶A合成酶的前提，研究人员推测ACSS2可以作为乳酰辅酶A合成酶，与KAT2A协同调控组蛋白H3乳酸化。为此，研究在体外将纯化的ACSS2、乳酸、辅酶A和ATP混合后，利用质谱发现可以生成乳酰辅酶A，但是外源补充ERK2并不能增加ACSS2与乳酸的结合能力。
值得注意的是，核提取后的免疫共沉淀结果分析显示，EGF处理诱导了核乳酸脱氢酶A（LDHA）与ACSS2和KAT2A的结合。进一步，通过分子对接分析发现，ACSS2 D358是与乳酸结合的位点，点突变实验也证明了该结论。以上结果提示，EGF处理后，ACSS2作为乳酰辅酶A合成酶，与偶联的KAT2A对H3组蛋白进行乳酸化修饰。
图3 ACSS2可作为乳酰辅酶A合成酶
04
ACSS2/KAT2A介导的组蛋白H3K18乳酸化促进肿瘤免疫逃逸和肿瘤生长
为了进一步明确ACSS2/KAT2A介导的组蛋白H3K18乳酸化对基因表达的影响，研究人员利用ChIP-seq实验发现，修饰位点主要集中在启动子区域。对差异基因进行通路富集发现，主要影响代谢通路、Wnt信号通路、NF-kB信号通路，以及PD-1/PD-L1信号通路。
研究进一步探索ACSS2/KAT2A介导的组蛋白H3K18乳酸化对肿瘤生长和肿瘤免疫的调控作用。研究人员利用肿瘤移植模型发现，KAT2A和ACSS2突变组小鼠胶质母细胞瘤显著减小。值得一提的是，突变组小鼠肿瘤组织中促进了CD8+ T细胞浸润和颗粒酶B的表达。同时，免疫组化染色结果显示，突变组肿瘤组织中H3K18乳酸化、Wnt2、p65和PD-L1的表达水平降低。这些结果表明，ACSS2/KAT2A介导的组蛋白H3乳酸化促进了胶质母细胞瘤细胞增殖和免疫逃逸。
进一步，研究人员设计了小分子多肽，竞争性结合ACSS2/KAT2A结合区域，发现可以有效抑制组蛋白H3K14和H3K18位点乳酸化水平，同时可以显著降低肿瘤细胞的增殖和免疫逃逸。
图4 ACSS2/KAT2A介导的组蛋白H3K18乳酸化促进肿瘤免疫逃逸和肿瘤生长
综上所述，研究人员在肿瘤细胞中发现一种新型乳酰辅酶A合成酶ACSS2，它可以与LDHA/KAT2A发挥协同作用，作为组蛋白乳酰转移酶，促进组蛋白H3K18位点乳酸化修饰，调控肿瘤进展关键基因的表达，影响肿瘤生长和免疫逃逸等过程。
图5 研究模式图
景杰评述
2019年，赵英明教授课题组首次报道了“代谢废物”乳酸可通过形成乳酰辅酶A，以共价形式连接到赖氨酸残基的侧链上发生组蛋白乳酸化修饰调控基因表达。但这一过程中，乳酰辅酶A的合成酶究竟是谁，如何介导乳酸化修饰的机制等问题一直未得到解答。该研究首次报道了哺乳动物细胞中乳酰辅酶A合成酶--ACSS2，能够将LDHA产生的乳酸直接转化为乳酰辅酶A，这一成果直接填补了之前关于乳酰辅酶A合成酶的空白。
此外，本研究也首次揭示了ACSS2可与KAT2A偶联，作为真正的组蛋白乳酸转移酶，用于表达对肿瘤进展至关重要的基因。这强调了ACSS2和 KAT2A在细胞活动中的多方面作用，以及ACSS2-KAT2A在基因表达的表观遗传调控中以前未知的功能。由此提示我们针对ACSS2/KAT2A结合靶点，利用分子对接设计小分子药物，是有效干预肿瘤生长和免疫逃逸的重要手段，为肿瘤治疗、免疫逃逸等临床问题研究提供了新思路和新方法。
最后，随着L-乳酸化和D-乳酸化修饰的提出，和新型乳酸辅酶A合成酶的补充，这些成果均提示我们乳酸化修饰研究正走向更精细化的阶段，同时也提示乳酸化修饰在生命活动中的重要性，且存在巨大研究价值。
2024年，正值乳酸化修饰发现五周年，乳酸化修饰调控的深刻内涵和重要研究价值日益显现。在不到一年的时间里，4篇乳酸化重磅成果登上CNS正刊。一系列明星蛋白，如p53，cGAS等均可发生乳酸化修饰并改变它们的功能。同时，L-赖氨酸乳酸化（KL-la）、D-赖氨酸乳酸化（KD-la）和N-ε赖氨酸（羧乙基）乳酸化（Kce）三种修饰异构体的区分，亦使乳酸化的功能解析更加精细。乳酸化的精准研究已经迈向了全新时代！景杰生物现已全面提供L-乳酸化修饰、D-乳酸化修饰泛抗体，可特异性识别L-/D-乳酸化修饰，更真实、精确揭示L-/D-乳酸化修饰的相关功能与分子机制。此外，景杰生物可提供“从WB预筛选，乳酸化修饰组学分析，到运用丰富的乳酸化修饰位点特异性抗体进行功能验证，再到后续的CUT&Tag分析”等全流程服务，欢迎咨询！
参考文献：
Rongxuan Zhu, et al. 2024. ACSS2 acts as a lactyl-CoA synthetase and couples KAT2A to function as a lactyltransferase for histone lactylation and tumor immune evasion. Cell Metabolism.
来源：景杰生物
