【文献推送】Cell Metabolism:己糖激酶2通过组蛋白乳酸化介导的基因表达促进肝星状细胞活化和肝纤维化

健康   2025-01-05 06:00   上海  


研究背景


肝脏纤维化是肝脏对各种损伤的愈合反应,与严重的发病率和死亡率相关。目前,除了肝移植外,尚无有效方法治愈肝脏纤维化。在肝脏损伤过程中,原本处于静止状态的肝星状细胞(HSCs)会被激活并转分化为α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)阳性的肌成纤维细胞,这些细胞是纤维化肝脏中胶原蛋白产生细胞的主要贡献者。近期的研究表明,包括有氧糖酵解在内的代谢重编程是HSCs激活的关键特征,抑制有氧糖酵解可以预防HSCs的激活。六磷酸激酶2(HK2)是催化葡萄糖代谢第一步的酶,通过磷酸化葡萄糖产生葡萄糖-6-磷酸。HK2在高度糖酵解的增殖细胞(如癌细胞)中表达,以加速葡萄糖代谢。本研究强调了HK2在HSCs激活和肝脏纤维化中可能扮演的角色,揭示了HK2诱导的乳酸生成通过组蛋白乳酸化调控HSCs的激活,以及这一过程可作为治疗肝脏纤维化的潜在靶点。此研究结果在Cell Metabolism发表题为“Hexokinase 2-mediated gene expression via histone lactylation is required for hepatic stellate cell activation and liver fibrosis”的研究论文。


研究结果

HK2的催化活性诱导组蛋白乳酸化而不是乙酰化

研究人员利用中国仓鼠卵巢(CHO)细胞MI5-4研究HK2表达及其催化活性对组蛋白乳酸化的影响。他们通过质粒在这些细胞中表达野生型(WT)和激酶死亡突变型(SA)HK2。研究发现,WT HK2细胞的糖酵解活性和乳酸产生显著增加,而SA HK2细胞则无此变化。进一步检测发现,WT HK2细胞中组蛋白H3赖氨酸18的乳酸化(H3K18la)显著升高,而乙酰化(H3K18ac)则不受HK2表达影响。全基因组分布分析显示,H3K18la和H3K18ac主要位于启动子区域,且在WT HK2中H3K18la在转录起始位点附近增加。比较WT HK2细胞中相同基因启动子区域的组蛋白修饰水平,发现H3K18la标记的基因表达升高,而H3K18ac标记的基因未显著变化。因此,HK2表达通过增加糖酵解影响乳酸和乙酰辅酶A水平,但主要影响组蛋白乳酸化。

图1. 在MI5-4 CHO细胞中,HK2表达可诱导糖酵解、乳酸生成和组蛋白乳酸化


H3K18la标记的基因参与基因表达调控和多种代谢过程

研究人员通过外源性乳酸处理优化组蛋白乳酸化水平,发现10 mM乳酸处理24小时后,EV细胞中的H3K18la水平与WT HK2细胞相当。RNA测序显示,外源性乳酸处理改变基因表达的模式与WT HK2细胞相似,上调1109个基因,下调1532个基因。共有493个基因被HK2和乳酸处理共同上调,并在其启动子区域被H3K18la标记。GO分析显示这些基因参与基因表达调控、RNA和蛋白质代谢以及蛋白质修饰。通过qPCR验证了包括Cnpy2、Supt4a、Srsf11、Mtres1、Timp1和Sprr1a在内的基因表达变化,并在这些基因启动子处验证了H3K18la和H3K18ac的富集。结果显示WT HK2细胞中H3K18la富集程度升高,H3K18ac略有下降。研究结果表明,HK2表达通过增加糖酵解活性和乳酸生成,通过H3K18la影响基因表达。

图2. HK2/ H3K18la特异性基因参与MI5-4 CHO细胞基因表达调控及多种代谢过程


H3K18la在小鼠和人的活化HSCs中被诱导,且富集于基因启动子区域

研究表明,在慢性炎症和纤维化过程中,糖酵解增强不仅限于癌细胞,也出现在肝、肺和肾脏的成纤维细胞和肌成纤维细胞中。特别是在肝损伤后,静止的HSC激活成为肌成纤维细胞的主要群体。尽管已知HSC激活伴随乳酸产生,但乳酸如何与HSC激活相关尚不清楚。基于先前研究,作者假设HK2产生的乳酸可能通过组蛋白乳酸化影响基因表达。在小鼠肝纤维化模型中,研究人员证实了HK2的表达,并发现活化的HSCs中糖酵解活性升高,导致H3K18la诱导。与H3K18la不同,H3K18ac在静止HSC中存在,但在体外激活时被抑制,表明HSC激活可能需要H3K18la。在肝硬化患者肝组织中,HK2和H3K18la的表达与HSC活化相关。全基因组CUT&Tag分析显示,活化HSC中H3K18la主要分布在启动子区域,而H3K18ac分布较少。RNA-seq分析揭示了1677个基因上调和1505个基因下调,其中1126个基因由于H3K18la结合而上调。GO分析显示这些基因参与细胞粘附、迁移和伤口愈合,表明H3K18la可能调控代表HSC主要特征的关键基因。总之,HK2表达和糖酵解活性可能通过H3K18la在小鼠和人活化的HSCs中发挥作用,影响基因表达。

图3. HK2/H3K18la在HSC活化过程中被诱导并调节基因表达


Hk2基因缺失通过降低H3K18la来抑制HSC的激活,通过外源性乳酸的补充可以恢复H3K18la的降低

研究人员发现激活的HSC通过增强糖酵解、HK2表达和H3K18la进行代谢重编程,推测HK2消融可能通过抑制H3K18la阻碍HSC激活。他们从Hk2f/f小鼠分离原代HSC,并通过Ad-GFP-Cre腺病毒进行基因缺失,发现HK2缺失导致ECAR、乳酸生成和细胞乳酸水平降低约60%,表明HK2表达促进糖酵解,提供丙酮酸转化为乳酸。HK2缺失还抑制了α-SMA表达和增殖,但未引起细胞死亡。H3K18la和H3K18ac水平在HK2缺失细胞中降低,而外源性乳酸处理恢复了H3K18la,H3K18ac进一步降低。CUT&Tag分析显示,H3K18la在基因启动子附近被显著诱导,HK2缺失减弱此效应,乳酸添加后恢复。比较活化的WT和HK2敲除(KO)HSCs中H3K18la标记的基因表达,发现乳酸处理逆转了依赖于HK2表达的基因表达。GO分析显示,这些基因与细胞粘附、迁移、细胞外基质组织和TGF-β信号通路相关,表明HK2/H3K18la在调节HSC激活诱导基因中起关键作用。H3K18la峰在关键诱导基因的启动子处高度富集,HK2-KO细胞中乳酸处理恢复了H3K18la峰。补充乙酸增强组蛋白乙酰化和染色质可及性,但乳酸处理上调被Hk2缺失抑制的基因表达,而乙酸处理无此效果。活化HSC的侵袭能力因HK2缺乏而降低,乳酸处理使其恢复,而乙酸处理未恢复表型。总之,HK2缺失抑制HSC激活,乳酸处理可能通过H3K18la挽救HSC激活,而乙酸处理则不能。

图4. HK2基因缺失可通过降低H3K 18la抑制HSC的活化,外源性乳酸处理可恢复H3K 18la的活化,而乙酸盐处理则不能


药理抑制乳酸产生能够抑制HSC活化,并且可被外源性乳酸补充恢复

为了继续研究组蛋白乳酸化与HSC激活之间的关系,研究人员进一步评估了乳酸生成药物抑制剂治疗后基因表达的激活。由于其调节糖酵解的能力,草酸酯和二氯乙酸酯(DCA)已被评价为抗癌药物。草酸酯通过抑制乳酸脱氢酶(LDH)抑制丙酮酸产生乳酸,而DCA通过抑制丙酮酸脱氢酶激酶(PDHK)增加丙酮酸转化为乙酰辅酶A而不是乳酸来抑制乳酸的产生。草酸酯和DCA处理显著降低了乳酸生成和细胞乳酸水平,这种干预抑制了小鼠原代HSC的细胞增殖,而不引起细胞死亡。草酸酯和DCA处理有效地降低了H3K18la和HSC激活诱导基因的表达,乳酸可以挽救HSC激活诱导基因,而乙酸补充不能。

图5. 通过抑制乳酸生成或I类HDAC抑制剂治疗减少H3K18la使HSCs失活


一类HDAC抑制剂可提高H3K18ac,抑制H3K18la,从而抑制HSC激活诱导基因的表达

组蛋白去乙酰化酶(HDAC)通过去除组蛋白赖氨酸残基上的乙酰基促进染色质凝聚和基因转录抑制。研究发现,I类HDAC抑制剂如apicidin和MS275(entinostat)能诱导H3K18ac并抑制H3K18la,表明两者在组蛋白H3的赖氨酸18残基上存在竞争。这些抑制剂处理活化的小鼠原代HSC后,H3K18ac增加而H3K18la降低,导致基因表达和增殖激活降低,非由细胞死亡引起。进一步实验显示,乳酸处理增加α-SMA表达,乙酸处理则相反。结果提示I类HDAC抑制剂可能通过上调H3K18ac失活HSC,H3K18ac与H3K18la竞争,导致H3K18la依赖性基因表达下调。

图6. 在肝星状细胞中特异性敲除HK2可改善CCI4诱导的肝纤维化


HSC特异性和系统性的HK2缺失在体内抑制肝纤维化

为了验证HK2/H3K18la在肝纤维化中的作用,研究人员创建了HK2f/f-Lrat-Cre小鼠模型,实现了HSC中HK2的特异性缺失。通过CCl4诱导肝纤维化3周后,这些小鼠肝脏中的胶原积累和α-SMA表达显著降低,表明HK2缺失减轻了肝纤维化。分离的原代HSC显示,HK2缺失导致H3K18la水平降低,而H3K18ac水平不变。肝功能指标ALT和AST显示,HK2缺失对肝毒性无显著影响。

进一步实验中,研究人员通过腹腔注射乳酸评估其对HSC特异性HK2-KO小鼠的影响,发现乳酸治疗恢复了胶原沉积和α-SMA表达。此外,成年小鼠全身性HK2缺失对乳腺癌和肺癌具有良好的耐受性,无不良生理后果。使用Hk2f/f-UBC-CreERT2小鼠模型,研究人员模拟药物治疗,发现他莫昔芬诱导的HK2缺失显著抑制了α-SMA表达。CCl4处理后,系统性HK2缺失的小鼠肝脏胶原积累和α-SMA表达明显减少,且血清ALT和AST活性在HK2存在组和缺乏组之间相似,表明系统性HK2缺失不引起显著细胞毒性。在CCl4诱导和BDL诱导的纤维化模型中,系统性HK2缺失有效抑制了肝脏中胶原的积累和a-SMA的表达,证实了HK2在肝纤维化治疗中的潜力。

图7. 体内系统性敲除HK2抑制CCI4诱导和BDL诱导的肝纤维化


研究小结

作者深入探究并揭示了HK2所介导的乳酸生成过程,这一过程通过组蛋白乳酸化机制对基因表达产生了显著影响。研究明确指出,在肝星状细胞活化过程中,HK2表达的诱导起到了至关重要的作用。具体而言,HK2表达所触发的组蛋白乳酸化现象,成为决定肝星状细胞活化后基因表达模式的关键因素。进一步研究成果还表明,针对HK2/H3K18la轴进行干预,为探索肝纤维化治疗的新策略提供了潜在的途径。


述评

首先,本文研究了HK2在肝星状细胞激活和肝纤维化中的作用,特别是通过组蛋白乳酸化这一新颖的表观遗传修饰机制。这项研究不仅揭示了HK2在代谢重编程中的关键角色,还发现了HK2介导的乳酸生成对HSCs激活和肝纤维化的调控作用,为肝纤维化的治疗提供了新的视角和潜在靶点。

此外,更为重要的是作者还指出了乳酸化与乙酰化潜在的位点竞争关系。例如在H3K18位点潜在的修饰竞争。这为转录调控以及表观遗传学研究方向打开了新的道路,即在基因转录调控修饰上,多种酰化修饰是否会存在相互竞争抑制?其具体机制是什么?这有待将来进一步探究。

本研究还开辟对于乳酸化进程中酶学研究的新空间。在乳酸化修饰的酶学研究中,当前的研究主要聚焦于乳酸化转移酶,其主要包括Writer,Eraser以及Reader等,但在乳酸代谢过程以及乳酸化修饰中,涉及多种酶类代谢,对于其他酶类的靶向研究是否会影响组蛋白乳酸化?依旧是值得探究的问题。

最后,文章采用了多种实验技术,包括CUT&Tag染色质分析和代谢物测量等,这些方法的综合运用使得研究结果具有较高的可靠性和深度。特别是CUT&Tag技术的应用,允许研究者在少量细胞中进行表观遗传标记的分析,这对于研究原代HSCs等难以大量获取的细胞类型尤为重要。此外,通过构建Hk2f/f-LratCre小鼠模型和系统性HK2缺失模型,研究者能够在体内验证HK2对HSC激活和肝纤维化的影响,增强了研究的说服力。


上海市第一人民医院麻醉科

围术期器官保护科研组

编译:梁宏宇

审校:周宇/朱敏敏

编辑:柴若兰

审校:陈小星

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