组蛋白乳酸化修饰的作用机制及其在肿瘤中的研究进展

The Mechanisms and Research Advances of Histone Lactylation in Cancer

摘要: 乳酸作为肿瘤微环境中的重要代谢产物，在肿瘤发生发展和治疗中扮演着关键角色。组蛋白乳酸化修饰是近年来发现的一种新的蛋白质翻译后修饰，为代谢状态与表观遗传调控之间建立了直接联系。与此同时，越来越多的非组蛋白乳酸化靶点也被鉴定。现有研究表明，乳酸化修饰的酶学调控网络包括乳酸化酶(writers)、去乳酸化酶(erasers)及识别蛋白(readers)，但其具体作用机制仍需进一步阐明。在肿瘤中，乳酸化修饰参与免疫微环境调控、代谢重编程及血管生成等关键过程，与肿瘤细胞增殖、转移和耐药性密切相关。本文综述了组蛋白乳酸化修饰的作用机制及其在恶性肿瘤中的作用、以及肿瘤治疗中的潜力。

Abstract: As an important metabolite in the tumor microenvironment, lactic acid plays a key role in the development and treatment of tumors. Histone lactylation is a new protein post-translational modification discovered in recent years. It establishes a direct connection between cellular metabolic status and epigenetic regulation. In addition to histones, an increasing number of non-histone proteins have been identified to undergo lactylation. Current studies indicate that the enzymatic regulatory network of lactylation consists of lactyltransferases (writers), delactylases (erasers), and recognition proteins (readers), yet their specific molecular mechanisms remain incompletely understood. In cancer, lactylation is involved in the regulation of the immune microenvironment, metabolic reprogramming, and angiogenesis, thereby promoting tumor cell proliferation, metastasis, and therapeutic resistance. This review summarizes the research progress of the mechanism of histone lactylation, the role of histone lactylation in malignant tumors, and the potential of tumor therapy.

1. 引言

近年的研究发现，乳酸不仅是一种代谢产物，还可作为一种信号分子参与多种生物学过程，其中包括肿瘤、炎症反应、血管生成、免疫调节等过程[1] [2]。张迪等人在Nature杂志中首次报道了组蛋白赖氨酸乳酸化修饰(histone lysine lactylation, Kla)的存在，揭示了乳酸可以通过蛋白质翻译后修饰(post-translational modification, PTM)调控基因转录的新机制，该研究为乳酸在肿瘤中的作用机制提供了新的视角[3]。目前已有针对组蛋白乳酸化修饰的治疗策略的研究，包括针对乳酸转运蛋白(MCTs)和乳酸脱氢酶(LDH)的靶向治疗[4]-[11]。本文综述了乳酸化修饰作用机制的研究进展及组蛋白乳酸化修饰在恶性肿瘤中的作用、以及肿瘤治疗中的潜力。

2. 乳酸与组蛋白乳酸化修饰

C.H.Waddington首次定义表观遗传学是研究基因型在生物体生长过程中形成表型的机理即核苷酸序列不发生改变，而基因转录翻译的过程发生可遗传性变化。常见的表观遗产修饰为组蛋白翻译后修饰、DNA甲基化、非编码RNA调控、染色质重塑。研究发现，异常的表观遗传学改变可以作为肿瘤诊断、预后判断或预测药物生物性的生物标志[12]。作为PTM的一种途径，乳酸介导的Kla是一种促进基因转录的新型表观遗传修饰。

血液和健康组织中的乳酸的生理浓度范围为1.5~3.0 mM，但在肿瘤中，乳酸的浓度可以达到10.0~40.0 mM [13]。EGFR、ALK或KRAS等基因突变与肿瘤细胞代谢重编程密切相关，这几种基因突变与高乳酸水平有关。肿瘤细胞能量代谢的一个重要特征被称为“Warburg效应”，即使在氧气充足的情况下，肿瘤细胞仍然倾向于通过无氧呼吸快速产生能量，导致“有氧糖酵解”的状态。乳酸是Warburg效应的重要产物，过量的乳酸会引起细胞外酸中毒，还可以在缺乏葡萄糖的环境中促进肿瘤细胞存活，这是癌症的一大特征[14]。

新的研究表明乳酸是形成肿瘤微环境(tumor microenvironment, TME)必须的代谢物之一，TME中乳酸的细胞外水平可比正常生理条件下高20倍[15]。它可以调节免疫细胞的代谢，抑制免疫细胞的活化和增殖。作为一种信号分子，它在调节肿瘤细胞的免疫反应，影响免疫监视和逃避相关行为中起着至关重要的作用。组蛋白赖氨酸乳酸化被鉴定为一种新的PTM，为研究乳酸的作用机制提供了新的视角，并为肿瘤靶点提供了一种有前景和潜在的治疗方法。

3. 组蛋白乳酸化修饰的作用机制

张迪等人在2019年发现细胞内存在“乳酸时钟”，在细胞内乳酸达到一定浓度时可以影响基因表达促进细胞平衡[3]。细胞内及细胞外乳酸均可促进组蛋白赖氨酸乳酸化。组蛋白Kla可进一步调控基因表达。细菌感染时，M1型的巨噬细胞迅速转向糖酵解产生大量促炎细胞因子并产生Warburg效应，随着细胞内乳酸的增加，促进了组蛋白乳酸化修饰启动了稳态基因表达机制，在后期诱导M1型巨噬细胞向M2型转换，帮助机体修复在感染期间引起的损伤。尽管张迪等人发现了HeLa细胞和BMDM中组蛋白赖氨酸的乳酸化修饰，并确定了不同数量的乳酸化位点，包括H3、H4、H2A和H2B，但不同物种组蛋白赖氨酸乳酸化修饰的位点不同，非组蛋白也可以发生赖氨酸乳酸化修饰[3] [16]。

已有证据表明，乳酸化修饰不是一种自发的化学反应，而是由特异性酶进行调控的，参与乳酸化修饰的酶包括乳酸化酶(writers)、去乳酸化酶(erasers)和乳酸化识别酶(readers)，共同构成动态的乳酸化调控网络。最新的研究表明，乳酸首先在细胞核内经乙酰辅酶A合成酶ACSS2催化生成乳酰辅酶A (lactyl-CoA),为乳酸化修饰提供底物[17]。随后，组蛋白乙酰转移酶家族成员p300、赖氨酸乙酰转移酶2A (KAT2A)利用乳酰辅酶A将乳酸基团转移至组蛋白赖氨酸残基，从而催化组蛋白乳酸化修饰[3] [17]。2021年Carlos Moreno-Yruela等人在体外筛选出HDACs 1-3和SIRT 1-3为H3K12la位点组蛋白乳酸化修饰的去乳酸化酶[18]。除此之外，乳酸化修饰的生物学功能还依赖readers介导。近年来的研究鉴定出多种能够识别乳酸化组蛋白的reader蛋白。例如，DPF2通过其双PHD结构域特异结合H3K14la，被认为是首个通过试验证实的组蛋白乳酸化识别蛋白，可将H3K14la信号传递致癌基因的启动子上，促进转录并增加细胞增殖能力[19]。此外，SWI/SNF复合物核心ATP酶Brg1也能识别H3K18la，在干细胞重编程过程中促进上皮–间质转化逆转(MET) [20]。这些reader蛋白通常通过特定结构域识别乳酸化赖氨酸残基，并进一步招募转录复合物或染色质重塑复合物，调控下游基因表达。随着研究的深入，预计还会发现更多与组蛋白乳酸化直接作用的reader蛋白。

4. 非组蛋白乳酸化

除了组蛋白以外，越来越多的非组蛋白被鉴定为乳酸化靶点。蛋白质组学分析显示，AARS1-K120la、ACSS2-Kla、MRE11-K673la、NBS1-K388la和GNAT13-Kla等多种关键蛋白均可发生赖氨酸乳酸化[21]。非组蛋白乳酸化能够通过直接改变蛋白质的构象稳定性、酶学活性或亚细胞定位，进而影响代谢平衡、基因转录调控、信号传递及免疫调节等多种细胞过程[21]。它在心血管疾病、神经系统疾病、自身免疫性疾病和其他疾病的发展和进展中起着至关重要的作用，其生物学效应呈双向性，既可能促进疾病，也可能抑制疾病进程[22]。

在肿瘤中，非组蛋白乳酸化还可以促进肿瘤的发生与进展。AARS1可将乳酸基团转移至p53上，使其失去转录活性，从而削弱抑癌功能并促进细胞增殖[23]。MOESIN蛋白在K72位点的乳酸化修饰增强了其与TGF-β受体I的相互作用，从而放大了调节T细胞内的TGF-β免疫抑制信号，促进了肿瘤的免疫逃逸[24]。此外，前列腺癌中HIF-1α乳酸化通过上调KIAA1199转录，促进肿瘤血管生成[25]。以上研究表明，非组蛋白乳酸化通过多种机制参与肿瘤进展，为阐明乳酸信号在肿瘤进展中的作用提供了新的研究方向。

5. 组蛋白乳酸化在肿瘤发展中的功能

5.1. 调控免疫微环境

乳酸通过Kla作用，促进肿瘤相关巨噬细胞(TAM) M2样表型极化，从而抑制TME内的免疫应答[26]。过量的乳酸有助于建立适合癌细胞生长的免疫抑制环境，并在抑制免疫细胞功能方面发挥重要作用[27]。研究表明，淋巴瘤发育的小鼠通过口服碳酸氢盐进行全身碱化能够增强NK细胞中IFN-γ的表达延缓肿瘤生长[28]。过量的乳酸会抑制T细胞介导的免疫反应，当TME的pH值为6.0~6.5时，活化的CD8⁺和CD4⁺细胞通常被诱导至无应答状态，炎症细胞因子的产生也会减少[29]。另一项研究表明，乳酸通过抑制p38信号蛋白的磷酸化来抑制T细胞受体(TCR)触发的IDN-γ、肿瘤坏死因子α (TNF-α)和白介素2 (IL-2)的产生，并损害细胞毒性T淋巴细胞(CTL)的功能[30]。不过，并非所有的T细胞都对TME中的乳酸产生负面反应，转录因子Foxp3通过抑制c-Myc和糖酵解，增强氧化磷酸化和增加烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氧化来重编程调节性T细胞(Tregs)代谢，以对抗乳酸介导的T细胞功能和增殖的抑制[29]。高浓度的葡萄糖会抑制Tregs的功能和稳定性[31]。研究表明，在Treg细胞中敲除MCT1-a乳酸转运体，可以导致肿瘤生长减慢和对免疫治疗的反应增加[31]。肿瘤通过产生乳酸抑制效应T细胞的功能，并且通过维持Tregs的免疫抑制功能来进行免疫逃逸。

程序性细胞死亡蛋白1/程序性细胞死亡配体1 (PD-1/PD-L1)是抑制免疫细胞过度激活和预防自身免疫性疾病的最关键的免疫检查点之一。同时PD-1/PD-L1的上调可以抑制淋巴细胞活化，有利于建立肿瘤中的免疫抑制微环境。值得注意的是，PD-L1表达与高水平的乳酸高度相关[32]。减少TME中的乳酸，可能与提高肿瘤免疫疗法的效果有关。研究表明，乳酸通过激活MCT1/NF-κB/COX-2通路诱导肝细胞癌中性粒细胞表达PD-L1，COX-2抑制剂塞来昔布可显著抑制中性粒细胞表达PD-L1，并且促进了免疫抑制剂仑伐替尼的抗肿瘤作用[33]。

5.2. 代谢重编程

肿瘤细胞代谢重编程的典型特征是Warburg效应导致乳酸大量堆积。乳酸不仅是代谢重编程的代谢产物，同时也通过组蛋白乳酸化修饰驱动着代谢相关基因的表达变化。最新研究鉴定出乳腺癌中特异性的组蛋白乳酸化位点H4K79la和H4K91la，它们通过促进糖酵解关键酶(如LDHA、PGK1、HK1)的转录增强乳酸生成[34]。该研究揭示了“乳酸积累–组蛋白乳酸化–糖酵解增强”的正反馈机制在肿瘤代谢重编程中发挥关键作用。此外，组蛋白乳酸化不仅激活糖酵解相关基因，还通过上调脂代谢和谷氨酰胺代谢途径，维持肿瘤细胞能量供给与生物合成需求[21]。早期研究亦显示，H3K18la和H4K12la等乳酸化位点可促进糖酵解基因转录并增强乳酸生成，提示组蛋白乳酸化可能是连接代谢信号与表观遗传调控的关键枢纽，为肿瘤代谢重编程提供表观遗传基础[3]。

5.3. 促进血管生成

血管生成在肿瘤微环境重塑中具有关键作用。血管内皮生长因子(VEGF)家族及其受体(VEGFR)被认为是血管生成最突出的调节因子。Fan等人发现VEGF在内皮细胞中的血管生成作用与H3K9la和HDAC2之间的相互作用有关[35]。Zhao等人发现组蛋白乳酸化通过促进肿瘤相关内皮细胞中抑制致瘤性基因2 (ST2)的转录，增强内皮细胞对促血管生成白介素-33 (IL-33)刺激的应答[36]。在前列腺癌细胞中，Evodiamine可通过抑制组蛋白乳酸化减弱HIF-1α的表达和活性，进而抑制Sema3A介导的血管生成[37]。因此，组蛋白乳酸化作为代谢与表观遗传调控的关键连接环节，在肿瘤血管生成过程中发挥了重要的促进作用。

6. 组蛋白乳酸化修饰在肿瘤治疗中的进展

近年来发现的组蛋白乳酸化修饰在肿瘤领域中引起了广泛关注。已经有几项研究表明针对组蛋白乳酸化修饰的靶向治疗可以有效抑制肿瘤的进展。

6.1. MCTs在肿瘤靶向治疗中的应用

在肿瘤微环境中，大多是癌细胞通过代谢转变为糖酵解速率升高，随后产生大量乳酸，这是肿瘤细胞的一大标志。在实体瘤的进展和转移过程中，癌细胞适应重编程的糖酵解、氧化应激和缺氧，这是一种由缺氧诱导因子、c-Myc、Ras和其它因子调控的代谢机制。细胞外酸化是由肿瘤糖酵解产生过量乳酸导致的，然后通过单羧酸转运蛋白(MCTs)在细胞外转运。乳酸盐以乳酸的形式被癌细胞产生和利用，在生理PH下解离成乳酸。乳酸不能以阴离子形式穿过细胞膜，因此在单羧酸转运蛋白(MCTs)的帮助下进入细胞内部。MCTs由溶质载体16(SLC16)家族基因编码，与乳酸的转运密切相关。该基因家族包括14个成员(SLC16A1-SLC16A14)，对应编码14个跨膜蛋白(MCT1-MCT14)，参与跨膜运输多种营养物质、质子和代谢产物。MCT1/SLC16A1、MCT2/SLC16A7、MCT3/SLC16A8和MCT4/SLC16A3常见的单羧酸底物有乳酸、丙酮酸、乙酰乙酸d-β-羟基丁酸酯等，这些被动转运蛋白主要位于质膜上，它们可以根据底物的浓度梯度进行双向转运[38]。MCT1和MCT4在肿瘤中可作为肿瘤细胞和肿瘤相关的基质细胞的代谢链接，被报道在多种恶性肿瘤中显著过表达，且与肿瘤预后不良密切相关[39]。例如在结直肠癌中，单羧酸转运蛋白1(MCT1)是结肠癌糖酵解中Wnt信号通路的核心基因程序的一部分，在结肠癌细胞的迁移和侵袭能力中发挥着重要作用[40]。在胶质母细胞瘤(glioblastoma, GBM)中观察到过MCT4过表达，并且与GBM患者的预后不良显著相关。乳腺癌、胃癌、宫颈癌、肾癌、肺癌等都表现出MCT1和MCT4的高表达。

已有许多临床前试验报道了MCT1和MCT4抑制剂对于肿瘤治疗的作用。目前MCT4抑制剂仍然处于药物研发阶段，只有MCT1抑制剂AZD3965已进入临床试验阶段(ClinicalTrials.govNCT01791595)。现发现和研究出的MCT抑制剂有根皮素[4]、槲皮素[5]、对氯汞苯磺酸盐(p-CMBS)、Lonidamine (LND) [6]、对氯汞苯磺酸(pCMBS) [7]、3-溴丙酮酸[41]等等，表现出在癌症治疗中的潜力。但必须考虑到抑制乳酸转运对正常组织造成的不良反应，如靶向MCTs的抑制剂也可以抑制依赖于有氧糖酵解的淋巴细胞的增殖，或抑制一些组织，如心脏、骨骼肌、精子和大脑等利用乳酸，或抑制肝利用乳酸进行糖异生[42]。若是整体抑制MCTs的作用对于人体健康来说无疑是灾难性的，所以必须研究MCT亚型的靶向抑制剂。

研究表明CD147 (又称OX-47、细胞外基质金属蛋白酶诱导剂(EMMPRIN)、HT7或basigin)与MCT1和MCT4相互作用[43]，CD147促进MCT1和MCT4在细胞表面的正确表达，且与它们保持紧密结合，在肿瘤增殖和侵袭中发挥了重要作用[44]。CD147的靶向药物也为抑制这两种单羧酸转运蛋白提供了新的策略。Formosanin C可以下调MCT4及CD147的表达，使肿瘤细胞中内的乳酸增多，细胞外的乳酸减少，阻断乳酸的输出从而抑制肿瘤的生长[45]。免疫调节物(immunomodulatory drugs, IMiDs)可以通过破坏CD147-MCT1复合物的稳定性来发挥抗肿瘤作用[46]，如沙利度胺、来那度胺、硼替佐米等。但免疫抑制剂还存在着一定的致畸作用，其广泛应用于癌症的治疗还有待进一步研究。

6.2. LDH在肿瘤靶向治疗中的应用

乳酸脱氢酶(LDH)是糖酵解中的关键酶之一，将丙酮酸转化为乳酸。LDH是一种氧化还原酶，由LDHA和LDHB两种亚基组成，LDHA(M)主要存在于骨骼肌和肝脏中，LDHB(H)主要存在于心脏、脑、脾、肾和红细胞中[47]。LDH存在五种不同的亚型，即LDH1-5。LDH5催化丙酮酸转化为乳酸，LDH1催化乳酸转化为丙酮酸[47]。文献报道，LDHA与各类癌症密切相关，如胰腺癌、乳腺癌、肾癌、胃癌、前列腺癌等等[48]。抑制LDHA可减少癌细胞的迁移、侵袭、血管生产和癌症转移[48]。

草酸酯是丙酮酸类似物，作为LDHA的底物竞争性抑制剂，草酸盐在丙酮酸位点与LDH结合，抑制丙酮酸转化为乳酸。研究表明，草酸酯单独使用或与帕博利珠单抗联合使用可显著降低非小细胞肺癌肿瘤的生长[8]。此外，草酸酯通过抑制LDHA可以抑制鼻咽癌中的肿瘤细胞增殖，下调细胞周期蛋白依赖性激酶1 (cyclin-dependent kinase 1, CDK1)/细胞周期蛋白B1通路，并诱导由线粒体ROS生成增加介导的G2/M细胞周期和凋亡[9]。

棉酚可以竞争性抑制辅因子NADH与LDH结合，表现出非选择性LDH抑制活性[11]。但由于棉酚具有生物毒性，难以作为药物。研究发现，啉-3-磺胺类化合物是NADH竞争性LDHA抑制剂，对LDHB具有显著的选择性[10]。目前尚未发现具有显著选择性和可以在人体使用的LDH抑制剂，但LDH抑制剂是一种具有潜力的新型抗癌疗法。

7. 总结

2019年张迪等人首次证实了乳酸化修饰的存在，随着技术的进步和对乳酸化修饰作用的深入理解，我们对其在肿瘤调控中的作用有了更清晰的认识。乳酸是肿瘤Warburg效应的重要产物，肿瘤微环境中乳酸的细胞外水平可比正常生理条件下高20倍。因此，乳酸引起的乳酸化修饰更值得进一步研究。尽管关于组蛋白乳酸化修饰的研究已取得初步进展，但其酶学调控体系并未完全明确，乳酸化酶(writers)、去乳酸化酶(erasers)和乳酸化识别酶(readers)的具体作用机制尚待系统阐明。同物种组蛋白赖氨酸乳酸化修饰的位点不同，非组蛋白也可以发生赖氨酸乳酸化修饰，这也为我们研究乳酸化修饰的作用机制增加了难度。越来越多的证据表明，组蛋白乳酸化修饰与肿瘤免疫微环境调控、代谢重编和血管生成密切相关。靶向乳酸代谢及其相关修饰有望成为延缓肿瘤发生发展的潜在策略。未来的研究应重点聚焦乳酸代谢信号的调控网络，解析其在免疫调节、能量代谢及表观遗传重塑中的交叉作用机制，从而为精准肿瘤治疗提供新的理论依据与干预靶点。

NOTES

^*通讯作者。