細胞生命活動會產生數千種的代謝小分子，這些小分子不僅僅是蛋白質（酶）催化的產物，同時也能夠反過來通過共價修飾的方式影響蛋白質的功能。例如，乙酰CoA是TCA循環的重要產物，以此為供體所產生的蛋白質乙酰化修飾，在基因表達調控、代謝和信號轉導通路調節、癌癥發生發展等過程中都發揮了重要的作用。從應用的角度來看，組蛋白去乙酰化酶的抑制劑（HDAC inhibitor）也已經作為一類臨床藥物在使用。因此，揭示這種蛋白質-代謝物的相互調節機制，對于理解生命的變化、 疾病的發生、診斷和治療， 具有重大的科學意義。
從生化本質上來說，各類小分子和蛋白質共價結合發生修飾應當是一種普遍的機制。但目前已知的這類修飾仍然非常有限，究其原因是缺乏很好的研究思路和方法，而高精度質譜技術的發展無疑為這個領域的進展提供了強大的武器。然而，傳統的質譜方法是用于檢測“已知”的質量偏移，能否用來發現全新的修飾類型呢？
為解決這個重要問題，芝加哥大學的趙英明教授團隊于2009年在PNAS上發布了一種尋找新的質量偏移的軟件工具PTMap[1]，為后續新型修飾的發現奠定了基礎。自此以來，趙英明教授課題組陸續發現了丙酰化、丁酰化、巴豆酰化、琥珀酰化、丙二酰化、戊二酰化、二羥基異丁酰化、三羥基丁酰化以及苯甲酰化等多種修飾[2-3]，極大豐富了人們對酰化修飾的認識和理解。其中趙英明教授課題組2011年發表在Cell雜志上的關于組蛋白巴豆酰化的研究被該雜志評為2011年5篇研究亮點之一；2010年12月在線發表的關于組蛋白琥珀酰化的研究入選自然子刊Nature Chemical Biology創刊十年的39篇精品論文之一。這一系列新修飾的發現使得已知的組蛋白修飾位點數目超過了500個，其中一半以上是由趙教授課題組所發現的，這些工作極大擴充了人們對組蛋白密碼（histone code）的理解[4]。
除了發現這些新的修飾類型和位點，趙英明教授課題組還與其他課題組通力合作，共同致力于鑒定這些新修飾的調節蛋白，包括修飾酶（writer）、去修飾酶（eraser）和修飾結合蛋白（reader），研究其生物學功能（調節轉錄和代謝），并探索其在人類疾病中的作用。上述一系列研究成果已發表在Cell Metabolism、Nature Chemical Biology、Molecular Cell等雜志上[2]。據此，趙英明教授課題組提出的組蛋白酰化修飾的工作模型：細胞代謝通過酶催化的組蛋白酰化修飾重新編程并調控基因的轉錄，給后續該領域的研究提供了重要的指導意義。
隨著研究的不斷深入，這九種新的修飾類型陸續被證明同腫瘤、神經、免疫和微生物代謝，以及各種疾病包括肥胖、心血管病、糖尿病和炎癥性腸病等多種生理病理過程都密切相關，為這些方向的研究提供了新的思路。趙英明教授課題組在新型蛋白質修飾和組蛋白修飾表觀遺傳學通路的發現、新修飾的調節蛋白和功能研究等方面均做出了國際領先的開創性貢獻。
近日，芝加哥大學趙英明教授課題組、Lev Becker教授課題組再獲新突破，在國際頂級學術期刊Nature以research article的形式在線發表了題為“Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation”的論文，報道了最新發現的組蛋白賴氨酸乳酸化修飾（Lactylation）及其功能。
2019年的諾貝爾生理學或醫學獎授予了三位在“細胞如何感知和適應氧氣供應”方面取得突出貢獻的三位科學家，這是因為氧氣的感知和能量的代謝廣泛參與各類生理病理過程。例如腫瘤中有其特殊的能量代謝特征，被稱為溫伯格效應（Warburg effect），具體表現為即便在有氧條件下也會傾向于采用糖酵解的方式獲取能量并出現乳酸的大量聚集[5-6]。但長期以來，這種積累的乳酸一直被視為一種單純的細胞能源物質和代謝產物，并沒有認識到其在生物學功能中的重要調控作用。而本篇論文發現，代謝過程中積累的乳酸可以作為前體物質導致組蛋白賴氨酸發生乳酸化修飾，并參與細菌感染的M1巨噬細胞的穩態調控。該研究不僅為蛋白質的翻譯后修飾研究開辟新的領域，也為代謝產物乳酸在腫瘤、免疫等領域參與的研究指引了新方向。
趙英明教授課題組的張迪博士和洛克菲勒大學的Zhanyun Tang博士為該論文共同第一作者，參與本研究的還有洛克菲勒大學的Robert G. Roeder教授（美國科學院院士，拉斯克獎獲得者），加州大學圣地亞哥分校的任兵教授，四川大學華西醫院的戴倫治教授、中科院上海藥物所的黃河教授等。
研究速讀
1. 組蛋白乳酸化修飾的鑒定和驗證
已有的研究顯示，組蛋白酰化修飾通常以細胞代謝物為供體，并可以通過質譜測定修飾基團的質量偏移被發現[7-8]。依此方法，在MCF7核心組蛋白水解肽段的LC-MS/MS實驗中，研究者觀察到賴氨酸殘基上存在72.021道爾頓的質量偏移，并推測該偏移可能是由于賴氨酸上添加了一個乳酸基團所致（圖1a-b）。
圖1. 組蛋白乳酸化修飾發現
通過人工合成肽段與體內肽段質譜圖譜比較，作者確證該質量偏移是由一個乳酸基團修飾引起的（圖1b）。為了更好地研究乳酸化修飾，作者利用針對乳酸化修飾的泛抗體（景杰生物開發）進行Western Blotting檢測（圖2d）。此外，作者在Hela和BMDMs細胞中分別鑒定到26和16個組蛋白乳酸化修飾位點（圖2c）并通過同位素標記的代謝流實驗證明該修飾來源于乳酸。以上的實驗結果綜合表明，組蛋白乳酸化修飾是一種細胞內來源于乳酸的蛋白翻譯后修飾。
圖2. 組蛋白乳酸化修飾驗證
2. 組蛋白乳酸化修飾來自糖酵解通路
接下來作者進一步探究組蛋白組乳酸化修飾是否會受到細胞內乳酸的調控。首先，作者用不同濃度的葡萄糖處理MCF-7細胞后發現細胞內乳酸的生成和組蛋白乳酸化修飾水平都呈梯度增加（圖3a-b）。乳酸的產生是由糖酵解和線粒體氧化磷酸化共同調控。當用糖酵解抑制劑DCA和Oxamate處理細胞后，乳酸生成和組蛋白乳酸化修飾顯著下調；線粒體呼吸抑制劑Rotenone處理細胞后，乳酸生成和組蛋白乳酸化修飾顯著上調（圖3f-i）。因此可以表明，內源糖酵解通路生成的乳酸是組蛋白乳酸化修飾調控的關鍵因子。
圖3. 內源生成的乳酸是組蛋白乳酸化修飾的關鍵調控因子
3. 低氧條件和M1巨噬細胞極化過程中組蛋白乳酸化修飾增加
為了進一步研究組蛋白乳酸化修飾是否在生理條件下受到糖酵解過程的調控，作者選取了兩個實驗模型：低氧和M1巨噬細胞極化。實驗結果顯示在低氧條件下，乳酸生成增加并且組蛋白乳酸化修飾水平顯著上調，但是組蛋白乙酰化修飾基本無變化（圖4j-k）；同時，LPS/IFNγ刺激條件下，M1巨噬細胞乳酸生成和組蛋白乳酸化修飾顯著上調，但是對M2巨噬細胞無影響（圖4a-d）。由此可見，生理條件下糖酵解過程生成的乳酸促進組蛋白乳酸化修飾。
圖4. 低氧條件和M1巨噬細胞極化過程中組蛋白乳酸化修飾
4. 乳酸直接通過組蛋白乳酸化修飾活化M2相關基因表達
已有的研究顯示，組蛋白組修飾在基因表達調控過程中發揮重要作用。進一步通過ChIP-seq和RNA-seq實驗，作者發現H3K18la在一些特定基因的啟動子區域富集。這些基因參與多種生物學過程，其中包括與M2巨噬細胞類似表型相關的wound healing通路（e.g. Arg1）（圖5e-h）。接下來，作者又通過條件性敲除小鼠的體內實驗證明了糖酵解關鍵酶LDHA敲除后，乳酸和組蛋白乳酸化水平顯著降低，并且減少Arg1基因表達水平（圖5a-d）。因此可以得出，在M1巨噬細胞極化后期，組蛋白乳酸化修飾增多促進參與損傷修復過程的穩態基因的表達。
圖5. 乳酸直接通過組蛋白乳酸化修飾活化M2相關基因表達
專家點評
Kathryn E. Wellen教授（賓夕法尼亞大學）
Nature同期發表了賓夕法尼亞大學的Kathryn E. Wellen教授的評述文章“Lactate links metabolism to genes”。該評述總結了整個研究的內容并進一步指出了該研究的科學意義。
細胞代謝過程中產生的代謝小分子不僅僅是重要的物質和能量來源，這些小分子也能夠調控細胞信號和基因表達，其中一個重要的途徑就是通過共價修飾的方式影響蛋白質比如組蛋白的翻譯后修飾。近日，芝加哥大學趙英明教授的最新Nature文章在這個研究方向取得了新的突破。
研究者運用質譜技術鑒定了組蛋白乳酸化新修飾并通過同位素代謝標記技術以及多種體內外實驗驗證了該修飾廣泛存在。在模擬細菌感染的模型中，研究者證明M1巨噬細胞極化后期，組蛋白乳酸化修飾增多促進參與損傷修復過程穩態基因的表達。同時，作者比較了組蛋白乳酸化和乙酰化修飾的動態調控，發現乳酸化標記到組蛋白的時間相對更晚，提示這兩種修飾可能存在不同的調控方式。進一步，作者提出了“lactate timer”這個全新的工作模型，即組蛋白乳酸化修飾與穩態基因、炎癥相關基因表達的動態調控。
圖6. 表觀遺傳調控新發現-組蛋白乳酸化修飾
本篇研究不僅發現了組蛋白乳酸化修飾這種全新的表觀遺傳調控方式，還拓展了人們對于乳酸化修飾的生化調控模型以及潛在生理病理功能的認識。在生化調控方式上，作者已經進行了深入研究并發現p300可以在體外催化乳酸基團從lactyl-CoA轉移到組蛋白上，但是細胞內是否也存在這樣的調控機制目前還不清楚，對于催化中間產物lactyl-CoA產生的酶以及組蛋白乳酸化修飾的"writer" 、" eraser "和" reader" 還有待進一步研究。在潛在生理病理功能方面，作為一種廣泛存在的代謝物質，乳酸所介導的新型組蛋白修飾不論是在肌肉運動等生理過程，還是癌癥等病理學過程中，都將發揮重要的作用。
參考文獻：1. Chen Y, et al. (2009) PTMap--A sequence alignment software for unrestricted, accurate, and full-spectrum identification of post-translational modification sites[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences.2. Sabari B R, et al. (2016) Metabolic regulation of gene expression through histone acylations[J].Nature Reviews Molecular Cell Biology.3. Huang H, et al. (2018) Lysine benzoylation is a histone mark regulated by SIRT2[J]. Nature Communications.4. Huang H, et al. (2014) SnapShot: Histone Modifications[J]. Cell.5. Pavlova N, et al. (2016) The Emerging Hallmarks of Cancer Metabolism[J]. Cell Metabolism.6. Palssonmcdermott E M, et al. (2013) The Warburg effect then and now: from cancer to inflammatory diseases[J]. Bioessays News & Reviews in Molecular Cellular & Developmental Biology.7. Kaelin W, et al. (2013) Influence of Metabolism on Epigenetics and Disease[J]. Cell.8. Tan M, et al. (2011) Identification of 67 Histone Marks and Histone Lysine Crotonylation as a New Type of Histone Modification[J]. Cell.9. Di Zhang, et al. (2019) Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature.
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