Sci Adv | 华东理工大学团队报道Vps34乳酸化修饰调控细胞自噬

 

 

自噬是一种保守的溶酶体降解的过程，在生理以及病理过程中发挥重要作用。有研究表明，磷酸化修饰、乙酰化修饰、泛素化修饰等蛋白质翻译后修饰（PTM）会影响自噬核心蛋白分子的结构、活性以及功能。最近，多种新型的蛋白质翻译后修饰，如琥珀酰化、巴豆酰化、乳酸化等被发现参与调节蛋白质功能以及基因转录过程。葡萄糖在无氧条件下通过乳酸脱氢酶A（LDHA）催化产生乳酸，乳酸会通过糖酵解依赖的方式影响组蛋白/非组蛋白赖氨酸乳酸化修饰，进而调节巨噬细胞、癌细胞等多种细胞的基因表达以及蛋白活性。但是，乳酸介导的乳酸化修饰是否参与自噬调节机制仍有待进一步研究。

 

2023年6月2日，华东理工大学程侠卫研究员、赵玉政教授以及杨弋教授合作在Science Advances发表了题为“ULK1-mediated metabolic reprogramming regulates Vps34 lipid kinase activity by its lactylation”的研究成果。该研究发现UNC-51样激酶1-ULK1在营养缺乏情况下促进LDHA磷酸化修饰增强其酶活性，进而促进乳酸生成。乳酸在乙酰基转移酶-TIP60作用下介导III型磷脂酰肌醇激酶-Vps34蛋白发生乳酸化修饰，增强其脂质激酶活性，促进细胞自噬与溶酶体降解。此外，Vps34乳酸化修饰还参与骨骼肌稳态以及肿瘤进展过程。景杰生物为该研究提供了乳酸化修饰泛抗体。

 

 

1. ULK1诱导LDHA磷酸化促进乳酸生成ULK1是自噬过程中发挥重要作用的蛋白激酶。研究者首先使用串联亲和纯化技术以及质谱技术鉴定了ULK1的互作蛋白，发现ULK1与LDHA相互作用，且LDHA在S196处被ULK1磷酸化。研究者使用S196位点特异性磷酸化修饰抗体验证了该位点磷酸化修饰并进一步探索了该位点磷酸化修饰对LDHA酶活性的影响，发现S196位点磷酸化修饰对于维持LDHA酶活性具有重要作用。上述结果表明ULK1作为上游调节因子介导LDHA S196磷酸化，并增强其酶活性，促进乳酸生成。

 

图1 ULK1诱导LDHA Ser196磷酸化

 

 

2. 乳酸诱导自噬核心蛋白Vps34发生乳酸化修饰LDHA是催化丙酮酸转化为乳酸的关键酶，乳酸是蛋白质乳酸化修饰的前体物质。作为一种重要的蛋白质翻译后修饰类型，乳酸化修饰参与调节肿瘤发生以及免疫反应。研究者进一步检测了自噬核心蛋白是否存在乳酸化修饰并影响细胞自噬。首先通过免疫共沉淀以及乳酸化修饰泛抗体检测了自噬核心蛋白的乳酸化修饰水平，发现多种关键蛋白存在乳酸化修饰。研究者进一步选择了自噬和内吞分选的关键调节因子-Vps34蛋白进行后续研究。通过纯化Vps34-Flag并使用质谱对其乳酸化位点进行鉴定，发现Vps34蛋白K356和K781存在乳酸化修饰。并通过实验表明乙酰基转移酶TIP60是Vps34乳酸化修饰的Writer。

 

 

图2 TIP60催化Vps34蛋白K356和K781位点发生乳酸化修饰

3. Vps34乳酸化影响其脂质激酶活性促进自噬体形成Vps34参与形成两个核心复合物，复合物I以及复合物II。复合物I由Vps34、Vps15以及ATG14L组成，复合物II包含UVRAG但不包括ATG14L。研究者通过免疫共沉淀以及质谱分析发现Vps34乳酸化修饰促进了其与Beclin1、ATG14L和UVRAG的结合。而Vps34的去乳酸化修饰会影响其脂质激酶活性。上述实验结果表明Vps34乳酸化修饰可以促进其与Beclin1、ATG14L以及UVRAG相互作用进而提升Vps34脂质激酶活性。
4. Vps34乳酸化修饰促进自噬体形成以及内体-溶酶体降解Vps34蛋白在自噬体的形成以及成熟过程中发挥重要作用，研究者通过敲低Vps34以及添加乳酸等方式影响Vps34表达量及其乳酸化修饰水平，发现Vps34乳酸化修饰是自噬体形成以及成熟所必需的。Vps34在内皮生长因子降解以及组织蛋白酶D水解过程中发挥重要作用，而不发生乳酸化修饰的Vps34变体会损坏Vps34正常功能，导致溶酶体降解障碍。

 

 

图3 Vps34乳酸化修饰促进内体-溶酶体降解

 

 

5. Vps34乳酸化影响细胞自噬参与维持骨骼肌稳态以及肿瘤发生发展该研究进一步探索了Vps34乳酸化修饰的参与的生理功能（维持骨骼肌功能稳态）以及病理过程（参与肿瘤发生发展）。首先，研究者评估了Vps34乳酸化修饰对于骨骼肌稳态的影响。研究者通过生成强制游泳的小鼠模型使其肌肉组织产生大量乳酸，测定发现游泳产生的乳酸会促进Vps34乳酸化修饰并诱导细胞自噬，表明Vps34乳酸化修饰参与维持骨骼肌稳态。
为探索Vps34乳酸化修饰的病理功能，研究者分析了临床肺癌与胃癌患者肿瘤组织与邻近组织的Vps34乳酸化修饰水平，发肺癌与胃癌肿瘤组织的乳酸水平显著增加，LDHA表达水平、Vps34的乳酸化修饰水平、Vps34激酶活性以及自噬水平均显著增加。上述检测结果表明，乳酸通过Vps34乳酸化修饰调节肿瘤组织中的自噬活性，并与癌症进展相关。

 

 

图4 Vps34乳酸化修饰水平与肿瘤进展相关

 

综上所述，该研究表明丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶ULK1催化LDHA S196发生磷酸化修饰，增强LDHA活性并促进乳酸产生。乳酸进一步介导Vps34乳酸化修饰进而促进其脂质激酶活性，促进细胞自噬与溶酶体降解，调节细胞自噬进而在维持骨骼肌稳态以及肿瘤进展过程中发挥重要作用。乳酸化修饰通过整合糖酵解与自噬这两种高度保守的细胞过程，描述了一种新的自噬调节机制。

 

 

图5 ULK1-LDHA通路和TIP60-Vps34通路在骨骼肌稳态和癌症进展中发挥作用

参考文献Jia M, et al. 2023. ULK1-mediated metabolic reprogramming regulates Vps34 lipid kinase activity by its lactylation. Science Advances.景杰生物作为修饰组学领域的领跑者，拥有多种修饰抗体和修饰组学质谱检测服务。如果您想了解相关产品和服务的更多信息，请扫描下方二维码填写合作咨询表单、或咨询景杰生物销售工程师、或拨打科服热线400-100-1145。如有转载、投稿等其他合作需求，请在文章下方留言，或添加微信ptm-market咨询。