综述：癌症中的蛋白质乳酸化：机制与潜在治疗意义

《Experimental & Molecular Medicine》：Protein lactylation in cancer: mechanisms and potential therapeutic implications

本文聚焦癌症中蛋白质乳酸化，阐述其修饰机制、相关靶点通路及潜在治疗策略，极具科研价值。

　　

引言

20 世纪 20 年代，奥托?瓦尔堡（Otto Warburg）发现，即使在有氧条件下，癌细胞中的糖酵解也会增强。这一独特的代谢特征源于癌细胞中糖酵解酶的特定同工酶表达上调，像己糖激酶 2（HK2）、磷酸果糖激酶 1（PFK1）等 。糖酵解增强会产生大量乳酸，以往乳酸被视作代谢废物，但新研究表明，它可作为 G 蛋白偶联受体 81 的配体、信号分子，还能充当线粒体的能量来源。更重要的是，乳酸能引发一种名为乳酸化的蛋白质翻译后修饰（PTM）。

在癌细胞中，代谢途径的改变常与表观遗传修饰相关，这些修饰影响染色质结构和转录机制的可及性，进而导致基因表达异常。乳酸诱导的乳酸化和已发现的组蛋白酰化类型类似，能修饰核心组蛋白 N 端尾部的赖氨酸残基。哺乳动物细胞在糖酵解最后一步产生 L - 乳酸脱氢酶（LDH），L - 乳酸被激活为 L - 乳酰辅酶 A，在组蛋白乙酰转移酶（HATs）作用下引发 L - 乳酸化。HATs 和组蛋白脱乙酰酶（HDACs）分别负责添加和去除修饰，它们也参与非组蛋白的赖氨酸乳酸化，影响蛋白质功能和稳定性 。此外，丙氨酰 - tRNA 合成酶（AARS）是一种新型乳酸化 “书写器”，可将乳酸激活为乳酸 - AMP，再转移到靶蛋白的赖氨酸残基上。

哺乳动物细胞虽主要经糖酵解产生 L - 乳酸，但也能通过乙二醛酶（GLO）途径产生 D - 乳酸。D - 乳酸能否像 L - 乳酸那样修饰靶蛋白赖氨酸残基还不确定，不过有证据显示，D - 乳酸化可通过非酶促共价修饰（NECMs），由 S-D - 乳酰谷胱甘肽（LGSH）介导发生。除了组蛋白和非组蛋白赖氨酸上的 L-、D - 乳酸化，还有 S - 乳酸化，即发生在靶蛋白半胱氨酸残基上的乳酸化，可由糖酵解中间产物 3 - 磷酸甘油醛（G3P）非酶促引发。本文将总结癌症中组蛋白和非组蛋白乳酸化的研究成果，并探讨以乳酸化为靶点的癌症治疗策略。

癌症中的组蛋白赖氨酸乳酸化

2019 年，赵等人通过高效液相色谱 - 串联质谱法发现了一种新的表观遗传修饰 —— 组蛋白 Kla，在胰蛋白酶消化的核心组蛋白赖氨酸残基处有 72.021 Da 的质量位移。2023 年，他们开发了 “综合组蛋白标记分析” 策略，发现了更多组蛋白 Kla 位点 。2024 年进一步证实，在糖酵解增强时，组蛋白 Kla 主要由 L - 乳酸化介导，鸟苷三磷酸（GTP）特异性琥珀酰辅酶 A 合成酶（GTPSCS）可将 L - 乳酸转化为 L - 乳酰辅酶 A，为 L - 乳酸化提供底物。

在巨噬细胞 M1 极化过程中，乳酸积累与组蛋白 Kla 水平升高及 M2 样基因表达相关，同时组蛋白赖氨酸乙酰化（Kac）水平与组蛋白 Kla 呈负相关 。这表明组蛋白 Kla 参与特定基因的表达调控，尤其在癌细胞中，糖酵解增强导致乳酸积累，组蛋白 Kla 可能发挥重要作用。

组蛋白 Kla 与基因表达的上调和下调

在许多癌细胞中，组蛋白 Kla 上调且与致癌基因表达相关。组蛋白 H3 赖氨酸 18 乳酸化（H3K18la）是研究较多的组蛋白 Kla 位点。肝纤维化诱导的代谢功能障碍相关脂肪性肝炎引发的肝细胞癌（HCC）与组蛋白乳酸化，特别是 H3K18la 有关 。在乳腺癌细胞中，H3K18la 富集在致癌转录因子 c-Myc 的启动子区域，促进其表达，进而提升丝氨酸 / 精氨酸丰富剪接因子 10（SRSF10）的表达，SRSF10 介导 MDM4 和 Bcl-x 的可变剪接 。膀胱癌进展依赖于 H3K18la 诱导的脂质运载蛋白 2（LCN2）表达 。在结直肠癌（CRC）中，癌细胞和肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的 H3K18la 都上调，可促进趋化因子（C-X-C 基序）配体 1（CXCL1）和 CXCL5 表达，推动 CRC 转移 。TAMs 摄取 CRC 产生的乳酸后，H3K18la 在维甲酸受体 -γ（RARγ）启动子处富集，抑制 RARγ 表达，激活 CRC 中的致癌信号转导和转录激活因子 3（STAT3）信号通路 。不过，在非小细胞肺癌（NSCLC）中，H4K8la 诱导会抑制糖酵解酶 HK1 表达 。虽然总体上组蛋白 Kla 促进癌症进展，但它为何有相反的基因调控功能仍待研究。

组蛋白 Kla 与非编码 RNA 及 RNA 甲基化修饰

组蛋白 Kla 不仅调控蛋白编码基因，还影响长链非编码 RNA（lincRNAs）。在 CRC 中，细菌来源的脂多糖（LPS）通过 H4K8la 激活致癌的 LINC00152 转录，而非 H3K18la 或 H4K5la 。近期研究发现，组蛋白 Kla 还参与环状 RNA（circRNAs）的转录调控。CRC 中致癌 Kras 产生的乳酸使 H3K18la 升高，激活肿瘤特异性细胞毒性 T 淋巴细胞（CTLs）中 circATXN7 的转录。circATXN7 与 NF-κB p65 亚基相互作用，将 p65 隔离在细胞质中，使肿瘤特异性 CTLs 对激活诱导的细胞死亡敏感，促进肿瘤免疫逃逸和免疫治疗抵抗 。

多项研究表明，组蛋白 Kla 诱导的基因与 RNA 甲基化密切相关，包括N6 - 甲基腺苷（m6A）、N1 - 甲基腺苷（m1A）和 5 - 甲基胞嘧啶（m5C）修饰 。在眼黑色素瘤中，组蛋白 Kla 诱导 YTH N6 - 甲基腺苷 RNA 结合蛋白 F2（YTHDF2）表达，YTHDF2 与 Period 1（PER1）和肿瘤蛋白 P53（TP53）的m6A修饰 mRNA 结合，促进其降解，引发肿瘤发生 。在肿瘤浸润髓细胞（TIM）中，H3K18la 上调甲基转移酶样 3（METTL3）基因表达，METTL3 在 Jak1 mRNA 上安装m6A，YTHDF1 与之结合，提高 JAK1 蛋白翻译效率，诱导 TIMs 的免疫抑制功能 。在眼黑色素瘤中，H3K18la 还参与m1A RNA 修饰，它富集在 AlkB 同源物 3（ALKBH3）启动子处，ALKBH3 使核抗原 SP100A mRNA 的m1A去甲基化，降低 SP100A 翻译效率，干扰早幼粒细胞白血病小体组装，促进肿瘤发生 。在 CRC 中，H3K18la 诱导m5C甲基转移酶 NSUN2 表达，通过m5C修饰增加烯醇化酶 1（ENO1）mRNA 稳定性，ENO1 表达增加引发糖酵解和组蛋白乳酸化的正反馈循环，与患者预后不良相关 。

组蛋白 Kla 与癌症治疗耐药性

组蛋白 Kla 诱导的基因参与癌症治疗耐药过程。贝伐单抗是一种抗血管内皮生长因子药物，用于转移性 CRC 的一线和二线治疗，但长期使用会产生耐药性 。使用贝伐单抗后，缺氧癌细胞糖酵解增加，H3K18la 水平上升，Rubicon 样自噬增强蛋白（RUBCNL）转录上调，RUBCNL 与 beclin - 1 结合促进自噬体成熟，使接受贝伐单抗治疗的 CRC 细胞通过自噬获得生存优势和治疗耐药性 。在膀胱癌中，H3K18la 诱导转录因子 Y - 盒结合蛋白 1（YBX1）和 YY1 表达，导致对顺铂耐药 。在肺癌脑转移的部分细胞中，醛酮还原酶家族 1 成员 B10（AKR1B10）过表达，促进 LDHA 表达，诱导 H4K12la 依赖的细胞周期蛋白 B1（CCNB1）转录，使癌细胞对培美曲塞化疗耐药 。在胶质母细胞瘤（GBM）肿瘤微环境中，调节性 T（Treg）细胞中 H3K18la 介导的 C - C 基序趋化因子受体 8（CCR8）表达，营造免疫抑制微环境，阻碍嵌合抗原受体 - T（CAR - T）细胞免疫治疗 。在急性髓系白血病（AML）中，STAT5 促进糖酵解和乳酸积累，增加程序性死亡配体 1（PD - L1）启动子区域的 H4K5la，使癌细胞逃避免疫监视 。

组蛋白变体 Kla 与肿瘤发生

除了经典组蛋白的 Kla 修饰，着丝粒蛋白 A（CENPA）这种组蛋白 H3 变体在 K124 处也会发生乳酸化。在 HCC 中，CENPA 乳酸化增强了它与 YY1 的相互作用，诱导细胞周期蛋白 D1 和神经纤毛蛋白 2（NRP2）表达，促进肿瘤发生 。

癌症中的非组蛋白赖氨酸乳酸化

组蛋白 Kla 被发现后，越来越多证据表明非组蛋白也是 Kla 修饰的靶点，非组蛋白 Kla 通过影响靶蛋白活性和稳定性，在肿瘤进展和不良预后中发挥关键作用。

非组蛋白 Kla 与蛋白质活性

在 HCC 的多组学分析中，发现 9275 个 Kla 位点里有 9256 个在非组蛋白上，说明肝癌中非组蛋白的 Kla 修饰很普遍 。在该研究中，腺苷酸激酶 2（AK2）在 K28 处高度乳酸化，抑制其活性，导致能量代谢紊乱，影响患者预后 。在肝内胆管癌（iCCA）中，蛋白质组学分析显示核仁蛋白在 K477 处乳酸化，这对其上调丝裂原活化蛋白激酶激活死亡结构域（MADD）表达至关重要，高表达的 MADD 激活 iCCA 中的经典丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路 。在 CRC 中，真核翻译延伸因子 eEF1A2 在 K408 处高度乳酸化，提高翻译延伸速率，满足癌细胞增加的生物合成需求 。

在 Treg 细胞中，乳酸通过修饰膜组织延伸棘蛋白（MOESIN）的 K72 位点，增强其与转化生长因子 - β 受体 1（TGF - βRI）的相互作用，增加 TGF - β 信号传导 。随后，SMAD3 磷酸化并转移到细胞核，增加叉头盒 P3（FOXP3）表达，维持 Treg 细胞的免疫抑制功能 。此外，在致癌病毒感染中，非组蛋白 Kla 促进巨噬细胞的免疫抑制功能。环状 GMP - AMP 合酶（cGAS）是一种 DNA 传感器，可产生环状 GMP - AMP（cGAMP），触发干扰素 - β（IFN - β）产生 。当 cGAS 在 K131 处乳酸化时，其与 DNA 的静电亲和力降低，cGAMP 和 IFN - β 产生减少，降低先天免疫监视能力 。近期多个研究组报道，非组蛋白 Kla 参与调节癌细胞的 DNA 修复系统，使其抵抗治疗干预。在 GBM 中，X 射线修复交叉互补蛋白 1（XRCC1）在 K247 处乳酸化，增加其与输入蛋白 - α 的亲和力，促进 XRCC1 核转位，增强 GBM 对放化疗的 DNA 修复能力 。减数分裂重组 11（MRE11） - RAD50 - 尼曼 - 匹克病 1 型（NBS1）复合物（MRN 复合物）在 DNA 修复系统中起关键作用 。在胃癌中，NBS1 在 K388 处高度乳酸化，促进 MRN 复合物形成，有助于对顺铂治疗或电离辐射的 DNA 修复 。此外，在化疗耐药的癌症中，MRE11 在 K673 处的乳酸化增加，增强其与 DNA 的结合能力，促进 DNA 修复 。

非组蛋白 Kla 与蛋白质稳定性

越来越多证据表明，在缺氧条件下，非组蛋白 Kla 影响癌症中的蛋白质稳定性。在食管癌中，缺氧通过乳酸化稳定丝氨酸羟甲基转移酶 2（SHMT2），增强其与一碳代谢关键酶亚甲基四氢叶酸脱氢酶（NADP 依赖）1 - 样（MTHFD1L）的相互作用，促进恶性表型发展 。在 CRC 中，缺氧通过 Kla 修饰增加 β - 连环蛋白稳定性，调节细胞增殖和干性 。虽然 Kla 稳定靶蛋白的机制还需深入研究，但已有研究表明，在宫颈癌中，盘状结构域受体酪氨酸激酶 1（DCBLD1）在 K172 处的乳酸化通过抑制泛素化增强其稳定性 。在胃癌中，Yes 相关蛋白（YAP）在 K90 处乳酸化，增加其稳定性和核转位，该乳酸化由 AARS1 介导，AARS1 在胃癌中表达升高，与预后不良相关 。

当乳酸来自相邻细胞时，也能观察到 Kla 介导的蛋白质稳定性变化。在 CRC 中，高表达醛缩酶 B（ALDOB）的细胞激活丙酮酸脱氢酶激酶 1（PDK1），抑制丙酮酸氧化，增加乳酸产生 。这些乳酸进入相邻细胞，通过乳酸化增强癌胚抗原细胞黏附分子 6（CEACAM6）稳定性，促进 CRC 细胞增殖和化疗耐药 。在前列腺癌中，乳酸通过单羧酸转运蛋白 1（MCT1）进入癌细胞，通过乳酸化稳定缺氧诱导因子 1α（HIF1α），激活 HIF1α 通路，促进血管生成 。

乳酸转移酶、去乳酸化酶与癌症治疗

HAT 家族和 AARS 作为乳酸转移酶

短链赖氨酸酰化由 HATs 和 HDACs 的酶活性动态平衡调节，HATs 添加修饰，HDACs 去除修饰 。由于乳酸直接修饰赖氨酸在化学上不利，推测乳酸先激活为乳酰辅酶 A，再由 HATs 转移 。在三大 HAT 家族中，p300/CREB 结合蛋白（p300/CBP）底物特异性广泛 。在最初发现组蛋白 Kla 的研究中，p300 被认为是潜在的组蛋白 Kla 乳酸转移酶，不过其催化组蛋白乳酸化的动力学比催化组蛋白乙酰化慢得多 。另一项研究表明，p300 或其对应物 CBP 可在非组蛋白上安装 Kla 。除 p300/CBP 外，通用控制非阻遏蛋白 5（GCN5）、与原点识别复合物 1 结合的 HAT（HBO1）、雄性特异性缺失蛋白 1（MOF）和 Tat 相互作用蛋白 60（TIP60）等也被报道为潜在的乳酸转移酶 。

HATs 从激活的乳酸（乳酰辅酶 A）安装 Kla。目前已鉴定出哺乳动物细胞中参与乳酰辅酶 A 合成的酶，如 GTPSCS 被认为是一种乳酰辅酶 A 合成酶，可与细胞核中的 p300 相互作用，促进 H3K18la 修饰 。乙酰辅酶 A 合成酶 2（ACSS2）也被提出可作为乳酰辅酶 A 合成酶，为 GCN5 提供底物，诱导 H3K14 和 H3K18la 修饰 。

除了 HAT 介导的乳酸转移酶机制，AARS 也可能是潜在的乳酸转移酶，它能直接感知乳酸，并将乳酰部分转移到靶蛋白上 。由于乳酸与 AARS 的天然底物丙氨酸结构相似，AARS1 和 AARS2（分别为细胞质和线粒体同工型）可能参与细胞质和线粒体的 Kla 修饰 。近期研究还发现，细胞质 AARS1 有保守的核定位信号基序，暗示其在细胞核中作为乳酸转移酶的可能性 。实际上，AARS1 在多种癌症中表达升高，它修饰 p53 的 Kla，阻止 p53 与 DNA 结合，抑制其肿瘤抑制功能 。在胃癌中，AARS1 使 YAP 乳酸化，加速癌细胞增殖 。但也有研究表明，AARS1 和 AARS2 调节 METTL16 的 Kla，导致铜诱导的胃癌细胞死亡 。在巨噬细胞中，AARS2 使 cGAS 乳酸化，降低其与 DNA 的亲和力，影响免疫监视 。

I 类 HDACs 和 SIRTs 作为去乳酸化酶

HDACs 根据结构域和辅因子分为四类，包括依赖Zn2+的 I、II 和 IV 类，以及依赖NAD的 III 类 HDACs（沉默信息调节因子 Sirtuins，SIRT1 - 7） 。I 类 HDACs 主要定位于细胞核，II 类 HDACs 可分为 IIa 和 IIb 两个亚组，IIa 类在信号依赖的磷酸化作用下在细胞质和细胞核间穿梭，IIb 类主要位于细胞质 。III 类 HDACs 的去乙酰化酶活性取决于亚细胞定位，IV 类 HDACs 只有 HDAC11 。

目前，I 类 HDACs 和 III 类 HDACs（Sirtuins）被认为可能具有去乳酸化酶活性，但存在争议 。2021 年，SIRT2 被提出是潜在的去乳酸化酶 。该研究通过 GLO 途径诱导 Kla，产生非酶促 Kla<