责编︱王思珍
长期以来，乳酸被认为是糖酵解的终产物，在细胞代谢及信号转导过程中发挥作用。2019年首次被报道发生在组蛋白上的一种新的翻译后修饰——乳酰化修饰[1]，引起了研究者们对乳酸的非代谢功能的广泛关注。近年来的研究表明，蛋白质乳酰化广泛存在于细胞核和细胞质多种蛋白质中，受到细胞代谢水平的调控，并参与调节转录、代谢、炎症反应等生物过程[2-5]，可能在炎症、癌症及神经退行性疾病等病理过程中发挥潜在作用[6-8]。随着研究的深入，研究者们发现了多种催化蛋白质乳酰化的乳酰基转移酶，例如乙酰基转移酶P300 [9]、TIP60 [10]以及丙氨酰tRNA合酶AARS [11-14]，这些酶本身具有转移酰基基团的能力，可能以类似的机制发挥乳酰基转移酶的活性，催化蛋白质的乳酰化修饰。然而，细胞中蛋白质的乳酰化是否存在其他的调控方式目前仍不清楚。
近日，上海科技大学生命科学与技术学院李磊课题组在国际学术期刊Nature Communications上发表了题为“Metabolic regulation of cytoskeleton functions by HDAC6-catalyzed α-tubulin lactylation”的研究论文。该研究报道了组蛋白去乙酰化酶HDAC6在细胞中表现出乳酰基转移酶活性，催化α-微管蛋白发生乳酰化修饰，并调控细胞骨架的功能。（拓展阅读：李磊课题组相关研究进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Mol Ther︱上海科技大学李磊课题组揭示在C9orf72-ALS中二肽重复蛋白损伤神经肌肉信号传递的机制及潜在的治疗方法）首先，研究人员通过质谱技术对原代培养的小鼠皮层神经元中的蛋白质进行了分析，共鉴定285种具有乳酰化修饰的蛋白，包括微管蛋白和微管相关蛋白。微管是真核细胞中细胞骨架的重要组成成分，具有高度的动态性，而微管蛋白的翻译后修饰是微管动态性的重要调控方式。质谱结果显示，α-微管蛋白第40位赖氨酸（K40）上存在72.021 Da 的质量偏移，与乳酰基团的分子量一致，表明α-微管蛋白K40位点可能存在乳酰化修饰。随后研究人员用生化手段进一步验证，发现乳酰化在突变体α-微管蛋白中被消除。这些结果表明α-微管蛋白具有乳酰化修饰，K40 是其主要的乳酰化位点。先前的研究表明，蛋白质的乳酰化修饰可能通过乙酰转移酶介导，并被去乙酰化酶消除，研究人员由此入手探究微管蛋白乳酰化的修饰酶与去修饰酶。有意思的是，当在细胞中过表达组蛋白去乙酰化酶HDAC家族蛋白时，没有任何HDAC对α-微管蛋白表现出去乳酰化活性，反而HDAC6的过表达显著上调了α-微管蛋白的乳酰化水平。相应的，在HDAC6-/-的小鼠皮层中α-微管蛋白的乳酰化水平显著下降。在小鼠中分别敲除HDAC6和MEC17的结果显示，HDAC6在体内承担了主要的α-微管蛋白乳酰基转移酶功能。这些结果表明HDAC6在细胞中具有α-微管蛋白乳酰基转移酶的活性，并且是α-微管蛋白最主要的乳酰基转移酶。为了进一步验证HDAC6对微管蛋白的乳酰基转移酶活性，研究人员利用纯化的蛋白进行了体外实验。结果显示，当环境中乳酸浓度低于1 mM时，HDAC6表现出去乳酰化活性；而乳酸浓度高于1 mM时，HDAC6能够促进α-微管蛋白的乳酰化修饰。这表明HDAC6能够直接利用乳酸作为供体，对α-微管蛋白进行乳酰化修饰，该催化反应是一个依赖于乳酸浓度的可逆反应。研究人员利用HDAC家族蛋白的抑制剂TSA和HDAC6特异性抑制剂TST进行了体外和细胞内的实验，结果显示HDAC6的乳酰基转移酶活性被抑制。进一步，突变HDAC6去乙酰化结构域活性中心的关键氨基酸同样抑制了HDAC6的乳酰基转移酶活性。这些结果表明HDAC6的去酰化活性对于其乳酰基转移酶活性同样重要。细胞中的微管处于不断聚合和解聚的动态平衡中，而微管蛋白的翻译后修饰参与调节微管的动力学特性和功能。为了确定乳酰化微管蛋白的定位，研究人员分离了游离的微管蛋白和聚合的微管，结果显示α-微管蛋白乳酰化修饰主要存在于解聚的微管蛋白中，而同一位点的α-微管蛋白乙酰化修饰则存在于聚合的微管中。为了探究乳酰化α-微管蛋白是否参与调节微管动力学特性，研究人员进行了体外的微管成核和生长实验，结果显示，乳酸化 α-微管蛋白促进微管蛋白成核，并显著增加了微管的生长和收缩速率。这些结果表明，与乙酰化修饰相反，α-微管蛋白的乳酰化定位于游离的微管蛋白异二聚体中，并增强了微管的动态性。此外，研究人员进一步研究了 α-微管蛋白乳酸化是否调节培养神经元中的微管动力学。结果显示，α-微管蛋白的乳酰化修饰能够发育过程中神经元突起的生长以及神经元轴突损伤后的再生过程。图3. α-微管蛋白乳酰化修饰增强微管动力学并促进神经元突起生长分支和再生图4. HDAC6促进α-微管蛋白从而调节微管动力学示意图综上，本研究发现了HDAC6作为乳酰基转移酶的新功能，揭示了细胞代谢状态的改变可以通过HDAC家族成员调控微管蛋白的乳酰化修饰水平，从而调节微管的动态不稳定性的分子机制。这一发现为理解代谢变化调控细胞骨架功能，及其在神经系统发育和神经退行性疾病过程中的作用提供了新的思路。但乳酰化修饰调节微管动力学的机制，以及体内 α-微管蛋白乳酸化的生理和病理功能需要进一步研究。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52729-0本文第一作者为上海科技大学李磊课题组博士毕业生孙双双和博士研究生徐哲，上海科技大学李磊为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位和通讯单位。该工作得到了上海科技大学罗振革、孙亚东课题组以及中科院分子卓越创新中心鲍岚课题组的帮助。转载须知：“逻辑神经科学”特邀稿件，且作者授权发布；本内容著作权归作者和“逻辑神经科学”共同所有；欢迎个人转发分享，未经授权禁止转载，违者必究。
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