乳酸修饰 cGAS：肿瘤生长调控新机制与临床意义

《Cell Reports》：Lactylation orchestrates ubiquitin-independent degradation of cGAS and promotes tumor growth

本文揭示乳酸通过促进 cGAS 降解抑制干扰素生成，助力肿瘤生长，为癌症治疗提供新思路。

　　### 乳酸在肿瘤代谢与免疫调节中的关键作用
乳酸作为糖酵解的终产物，在肿瘤发展进程中扮演着极为重要的角色，它不仅是肿瘤细胞的碳源，为肿瘤生长提供能量支持，还作为信号分子，参与肿瘤微环境的塑造和免疫调节。近年来，研究发现乳酸可通过对组蛋白的修饰影响免疫重塑和肿瘤进展，然而，对于大多数非表观遗传蛋白的乳酸化修饰及其在肿瘤发展中的功能，仍有待深入探究。

在先天免疫系统中，细胞内和细胞外的信号会引发一系列复杂的信号级联反应，以应对入侵病原体或细胞损伤。乳酸已被证实能够抑制 RLR 信号通路，但它在先天免疫对胞质 DNA 的识别和反应中所起的作用尚不明确。胞质 DNA 作为一种强大的刺激物，可激活先天免疫反应，其中环鸟苷酸 - 腺苷酸合成酶（cGAS）能够识别胞质 DNA，并催化生成环鸟苷酸 - 腺苷酸（cGAMP），进而激活 STING 蛋白，最终促使 I 型干扰素的产生。

蛋白质降解在细胞的生理过程中至关重要，泛素 - 蛋白酶体系统（UPS）是蛋白质降解的主要途径，但部分蛋白质可通过泛素非依赖的蛋白酶体降解（UbInPD）途径进行降解。目前，虽然已发现众多 UbInPD 底物，但对其调控机制的了解仍十分有限。

乳酸促进 cGAS 蛋白降解且不依赖泛素

研究人员为探究肿瘤微环境对 cGAS 介导的先天免疫反应的影响，用 Lewis 肺癌（LLC）细胞的条件培养基处理癌细胞，结果发现 cGAS 蛋白水平显著下降，而 STING 蛋白水平未受明显影响，同时癌细胞在感染单纯疱疹病毒（HSV）后的干扰素生成能力也受到抑制。鉴于 LLC 细胞会分泌大量乳酸，研究人员进一步研究发现，乳酸能够降低 cGAS 蛋白水平，且这种降低作用在生理浓度的乳酸下即可发生，而对 cGAS 的 mRNA 水平并无显著影响。此外，乳酸还会干扰 HSV 感染时的干扰素生成。

为了确定乳酸影响 cGAS 蛋白表达的具体机制，研究人员进行了一系列实验。他们构建了 MCT1 基因敲除的稳定细胞系（sgMCT1），MCT1 是乳酸进入细胞的主要转运蛋白，结果发现 MCT1 缺失后，LLC 条件培养基介导的 cGAS 降解明显减轻。同时，使用乳酸脱氢酶 A（LDHA）抑制剂 FX11 或敲低 LDHA 表达，均可导致 cGAS 蛋白水平升高，并促进 HSV 感染时的干扰素生成。

研究人员还发现，蛋白酶体抑制剂 MG132 能够完全逆转乳酸诱导的 cGAS 降解，而溶酶体抑制剂 NH₄Cl 则无此作用，这表明乳酸促进 cGAS 降解是通过蛋白酶体途径。进一步研究发现，乳酸对 cGAS 的泛素化水平影响较小，敲低多种参与 cGAS 泛素化的 E3 泛素连接酶或调节因子，均无法逆转乳酸诱导的 cGAS 降解。敲低人类泛素激活酶（E1s）UBE1 和 UBA6 后，乳酸仍能诱导 cGAS 降解，这充分说明乳酸促进 cGAS 降解不依赖于泛素。

K21 乳酸化增强 cGAS 降解

为深入探究乳酸促进 cGAS 降解的机制，研究人员对 cGAS 进行了质谱分析，发现乳酸处理会影响 cGAS 与 PSMA4、NQO1 的相互作用。免疫沉淀分析表明，乳酸可促使 PSMA4 与 cGAS 结合，同时减弱 NQO1 与 cGAS 的相互作用。敲除 NQO1 可增强乳酸诱导的 cGAS 降解，而敲除 PSMA4 则会阻断这一过程。

研究人员还发现，cGAS 在 K21 位点发生乳酸化修饰。将 K21 突变为精氨酸（K21R）后，乳酸诱导的 cGAS 蛋白降解被显著抑制，cGAS 蛋白稳定性增强。制备 cGAS K21 乳酸化特异性抗体（cGAS K21la）后发现，乳酸能够增强 cGAS K21 的乳酸化水平。同时，葡萄糖剥夺或 2 - 脱氧葡萄糖（2 - DG）处理会降低 cGAS K21la 水平，而缺氧则会使其升高。

进一步研究表明，cGAS 的 DNA 结合域（DBD）中含有 K21，乳酸处理主要降低了全长 cGAS 和 DBD 的表达，K21R 突变可消除这一影响。乳酸处理后，cGAS 从细胞核转位至细胞质，并与 PSMA4 和另一个蛋白酶体亚基 PSMA1 共定位，K21R 突变则会阻断这一转位过程。此外，研究发现 cGAS 与 PSMA4 的相互作用不依赖于 C - 降解子（C - degron）。这些结果表明，K21 乳酸化通过协调 cGAS 与 PSMA4、NQO1 的相互作用，促进 cGAS 向细胞质转位并降解。

PSMA4 pS188 稳定 cGAS

对 PSMA4 进行免疫沉淀和质谱分析发现，乳酸可增强 PSMA4 与 cGAS 的相互作用。进一步研究发现，乳酸会降低 PSMA4 的总磷酸化水平，且 PSMA4 在 Ser188 位点发生磷酸化，乳酸处理会使 PSMA4 pS188 水平下降。ULK1 被预测为 PSMA4 pS188 的潜在激酶，免疫沉淀分析表明，PSMA4 与 ULK1 相互作用，乳酸会减弱这种相互作用，体外磷酸化实验也证实 ULK1 可催化 PSMA4 S188 的磷酸化。

敲除 ULK1 会导致 PSMA4 pS188 水平降低，加速乳酸诱导的 cGAS 降解，并抑制干扰素生成。将 PSMA4 的 Ser188 突变为丙氨酸（rS188A），会加速 cGAS 降解，而突变为天冬氨酸（rS188D）则会稳定 cGAS 蛋白，并维持干扰素生成。

对接分析显示，K21 乳酸化的 cGAS 可直接与 PSMA4 结合，且 cGAS K21 和 PSMA4 S188 均靠近结合界面。生成 PSMA4 的截短突变体后发现，乳酸处理时，cGAS 与全长 PSMA4 或其蛋白酶体结构域（PD）结合，S188D 突变会破坏这种结合。此外，PSMA4 PD 与 cGAS DBD 在乳酸处理时结合，PSMA4 PD S188D 或 cGAS DBD K21R 突变均可消除这种结合。这些结果表明，PSMA4 pS188 能够稳定 cGAS，并维持乳酸处理时的干扰素生成。

PIK3CB K415la 与 cGAS 稳定性相关

PI3K - mTOR 通路、AMPK 和 TIP60 等是 ULK1 活性的主要调节因子。研究发现，PI3K 抑制剂 LY294002 可显著阻断乳酸诱导的 cGAS 降解和 PSMA4 pS188 水平下降，mTORC1 抑制剂雷帕霉素也能抑制乳酸诱导的 cGAS 降解，这表明 PI3Ks 在乳酸介导的 cGAS 降解中起关键作用。

质谱分析表明，PI3K 的催化亚基 PIK3CB 在 K415 位点发生乳酸化修饰（PIK3CB K415la），乳酸或缺氧会增强这种乳酸化，而葡萄糖饥饿或 2 - DG 处理则无此作用。敲除 PIK3CB 可恢复乳酸处理下 cGAS 蛋白的表达和干扰素生成。

PI3K 的调节亚基 P85s 与催化亚基 P110s（PIK3CB 也称为 P100β）形成复合物，抑制 PIK3CB 的基础活性。研究发现，乳酸会破坏 PIK3CB 与 P85β 的相互作用，并促使 PI (4,5) P₂转化为 PIP₃。将 PIK3CB 的 Lys415 突变为精氨酸（rK415R）后，可稳定 PIK3CB - P85β 复合物，抑制 PIP₃生成，同时显著抑制乳酸诱导的 cGAS 降解，并促进干扰素生成。免疫沉淀分析表明，PIK3CB K415R 突变会阻断乳酸对 PSMA4 与 cGAS 相互作用及其 pS188 水平的影响。

此外，敲除 PSMA4 可逆转 PIK3CB rWT 细胞中乳酸诱导的 cGAS 降解，而 PIK3CB rK415R 可使 cGAS 表达不依赖于 PSMA4。敲除 PIK3CB 可抑制 PSMA4 rWT 细胞中乳酸诱导的 cGAS 降解，PSMA4 rS188A 则会加速 cGAS 降解且不依赖于 PIK3CB。使用 PI3Kβ 特异性抑制剂 AZD6482 可显著逆转乳酸和 PIK3CB K415la 对 cGAS 表达的抑制作用。这些结果表明，PIK3CB K415la 在激活 PI3K 和促进 cGAS 降解中起积极作用。

乳酸 - cGAS 轴促进肿瘤生长

为探究 cGAS K21la 在肿瘤生长中的生理作用，研究人员将野生型（WT）和 K21R 突变型 cGAS 重新导入癌细胞，监测细胞活力。结果发现，携带 K21R 突变的细胞活力显著低于 WT cGAS 细胞。免疫印迹分析表明，乳酸积累会抑制 cGAS 表达，而 K21R 突变可阻断这种抑制作用。使用 LDHA 抑制剂 FX11 研究发现，cGAS 缺失会显著削弱 FX11 对细胞活力的抑制作用，这表明 cGAS 参与介导了靶向乳酸生成的抑制剂的抑制效果。

在体内实验中，研究人员将 MC38 细胞皮下注射到同基因小鼠模型中。由于人源和小鼠 cGAS 的同源性较差，他们构建了小鼠 Cgas 基因敲除的细胞系，并稳定转染人源 WT 和 K21R cGAS。结果显示，cGAS K21R 显著抑制肿瘤生长，肿瘤重量减轻，cGAS 表达升高，CD8⁺ T 细胞浸润增加。PSMA4 的 rS188D 突变会抑制肿瘤生长，rS188A 突变则促进肿瘤生长，且这些作用在缺乏 cGAS 或 Sting 时被显著阻断。Pik3cb rK309R 突变也会抑制肿瘤生长，cGAS 或 Sting 缺失会使肿瘤对 FX11 脱敏。这些结果表明，cGAS K21la 与肿瘤生长相关，并在靶向乳酸生成的药物的抗肿瘤作用中起关键作用。

cGAS K21la 指示肺腺癌预后

研究人员通过对 77 例肺腺癌（LUAD）标本进行免疫组织化学分析，探究乳酸 - cGAS 轴的临床相关性。结果发现，cGAS 水平与 PSMA4 pS188 水平呈正相关，LDHA 或 MCT1 水平与 cGAS K21la 呈正相关，与 cGAS 或 PSMA4 pS188 呈负相关。此外，cGAS K21la 水平高或 PSMA4 pS188 水平低的患者预后较差。这表明 cGAS K21la 在肿瘤发生中起重要作用，对肺癌的临床诊断具有重要意义。

研究总结与展望

本研究揭示了乳酸通过促进 cGAS K21 乳酸化，协调其与 PSMA4 和 NQO1 的相互作用，使 cGAS 从细胞核转位至蛋白酶体进行降解，从而抑制干扰素生成，促进肿瘤生长。同时，PIK3CB K415 乳酸化增强 PI3K 活性，降低 PSMA4 pS188 水平，进一步促进 cGAS 降解。此外，研究还证实了乳酸 - cGAS 轴在肿瘤生长中的重要作用，并发现 cGAS K21la 可作为肺腺癌预后的指示指标。

然而，本研究也存在一定的局限性。cGAS N 端的无结构域难以结晶，限制了对 cGAS 与 PSMA4 结合的结构解析。cGAS K21 在人类和灵长类动物中高度保守，在小鼠和大鼠等物种中保守性较差，缺乏更多具有保守 cGAS 的物种来验证乳酸 - cGAS K21 轴的生理作用。此外，cGAS K21la 和 PIK3CB K415la 的修饰酶以及 PSMA4 pS188 的去磷酸化酶尚未明确，有待进一步研究。