賴氨酸乳酰化修飾，自2019年首次被報道之後，便因其在調控多種生理和病理過程中的潛在作用而受到廣泛關注。這一翻譯後修飾不僅為乳酸的非代謝功能研究開辟了新的視角，而且提供了一種新的蛋白質調控機制。賴氨酸乳酰化修飾有三種同分異構體：L-乳酰化（K_L-la）、D-乳酰化（K_D-la）以及羧乙基化（K_ce）。這三種修飾都可能由糖酵解過程中的代謝産物所誘導。盡管已有研究指出這些修飾在細胞中的潛在存在，但它們在細胞核中的廣泛分布情況以及與Warburg效應的關聯性仍然是當前研究中的一個未解之謎。

在2024年7月20日,《自然化學生物學》（Nature Chemical Biology）雜志上，beat365官方网站及北大-清華生命科學聯合中心的張迪研究員，攜手四川大學的戴倫治教授、威斯康星大學的李靈軍教授以及芝加哥大學的趙英明教授，共同發表了題為“Lysine L-lactylation is the dominant lactylation isomer induced by glycolysis”的研究。該研究采用了正交的技術區分了三種賴氨酸乳酰化修飾的同分異構體，并确立了L-乳酰化修飾在細胞響應糖酵解過程和Warburg效應中的核心作用。這一發現不僅深化了對蛋白質翻譯後修飾異構體功能的理解，而且為相關領域的研究提供了新的分析方法和理論基礎。

圖1：賴氨酸乳酰化修飾的三種同分異構體

2019年，芝加哥大學的趙英明教授團隊在《自然》雜志上首次揭示了Warburg效應的産物L-乳酸能夠驅動一種新型蛋白質修飾-賴氨酸乳酰化，張迪研究員擔任該研究的第一作者。随後該修飾的立體異構體修飾，賴氨酸D-乳酰化（K_D-la）也被發現存在于細胞中。K_D-la是通過乙二醛酶途徑産生的S-D-乳酰谷胱甘肽（LGSH）與蛋白質發生的非酶催化反應形成。乙二醛酶途徑，一個高效的細胞解毒系統，由乙二醛酶1（GLO1）和乙二醛酶2（GLO2）兩種酶組成，GLO1将糖酵解副産品甲基乙二醛（MGO）與谷胱甘肽結合形成LGSH，而GLO2則将其水解，生成D-乳酸并再生谷胱甘肽。MGO的高反應性使其能與多種蛋白質殘基反應，包括半胱氨酸、精氨酸和賴氨酸，其中與賴氨酸反應形成的N-ε-（羧乙基）賴氨酸（K_ce）已在細胞中發現，盡管其水平低于MGO衍生的精氨酸殘基修飾。目前，由于K_L-la、K_D-la和K_ce具有相同的分子量和結構相似性，通過高效液相色譜-質譜（HPLC-MS）分析難以區分它們，且K_D-la和K_ce是否能響應細胞糖酵解的動态變化尚不明确。

圖2：糖酵解通路調控K_L-la, K_D-la 和K_ce 三種乳酰化修飾異構體

為了解決這些基本問題，本研究開發并應用了一系列正交技術，涵蓋了分析化學、化學生物學和免疫學方法，專門用于區分K_L-la、K_D-la和K_ce這三種乳酰化異構體。通過這些方法的建立和應用，本研究證明了K_L-la是細胞組蛋白上的主要乳酰化形式，其産生受高葡萄糖濃度和糖酵解過程的誘導，并且與代謝物乳酰輔酶A（lactyl-CoA）的濃度呈正相關。此外，研究還發現，在糖酵解的下段途徑受阻或乙二醛酶系統功能不完整的情況下，K_D-la和K_ce可以産生并且受葡萄糖濃度影響，進一步揭示了這些異構體在細胞代謝調節中的複雜性。

圖3：用生物正交方法區分三種乳酰化修飾同分異構體，并證明K_L-la是細胞内組蛋白上的主要乳酰化形式

綜上所述，該研究不僅開發了一套區分蛋白質翻譯後修飾（PTM）異構體的創新方法，而且揭示了K_L-la作為細胞對糖酵解和Warburg效應的主要響應者的關鍵角色。這些成果不僅豐富了我們對細胞代謝調控機制的理解，而且為未來的研究提供了新的視角和工具，有助于深入探索乳酰化修飾在疾病發展和其他生物學過程中的作用。

在這項研究中，beat365官方网站張迪研究員、四川大學戴倫治教授、威斯康星大學麥迪遜分校李靈軍教授以及芝加哥大學趙英明教授共同擔任本文的通訊作者，指導了研究的各個方面。北京大學張迪研究員、芝加哥大學高晉君博士（目前擔任北京大學深圳研究院研究員）以及威斯康星大學麥迪遜分校朱緻君博士作為并列第一作者，對本文的研究工作做出了同等重要的貢獻。本研究得到了國家自然科學基金、生命科學聯合中心、beat365官方网站以及蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室的大力支持和資助。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41589-024-01680-8