蛋白質(zhì)乳酸化的發(fā)現(xiàn)

長(zhǎng)期以來(lái)，乳酸（lactate）被視為細(xì)胞代謝中的“廢棄物”。在經(jīng)典代謝路徑中，細(xì)胞在缺氧或高強(qiáng)度代謝狀態(tài)下會(huì)啟動(dòng)糖酵解，快速將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸。由于缺乏氧氣，丙酮酸無(wú)法進(jìn)入線(xiàn)粒體的三羧酸循環(huán)，而是被還原為乳酸，以再生NAD?供糖酵解持續(xù)進(jìn)行。這一過(guò)程雖然維持了能量供應(yīng)，卻也導(dǎo)致乳酸大量積累，因此乳酸長(zhǎng)期被貼上“無(wú)氧代謝副產(chǎn)物”的標(biāo)簽，被認(rèn)為需要通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)或肝臟代謝清除以維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。

圖1. 有氧糖酵解

然而，近年來(lái)的研究表明，乳酸并非“無(wú)用之物”，而是具備多種調(diào)控功能的活性代謝分子。它不僅能作為代謝燃料在不同細(xì)胞之間“轉(zhuǎn)運(yùn)利用”，還可通過(guò)特定的乳酸受體（如GPR81）參與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)免疫、神經(jīng)與內(nèi)分泌活動(dòng)。更重要的是，乳酸作為代謝中間物，能夠通過(guò)?；揎椯?lài)氨酸殘基，形成一種新型的蛋白翻譯后修飾——乳酸化（lactylation），揭示了代謝狀態(tài)與基因表達(dá)之間直接耦聯(lián)的新機(jī)制。

Chen, J. et al. Signal Transduct Target Ther. 2025.

圖2. 乳酸是細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)子

在高代謝活動(dòng)的細(xì)胞或組織中，如腫瘤細(xì)胞、活化的免疫細(xì)胞（如巨噬細(xì)胞）和缺血區(qū)域的組織細(xì)胞，乳酸常常呈現(xiàn)高濃度積累狀態(tài)。這些環(huán)境下產(chǎn)生的乳酸不再只是能量代謝的副產(chǎn)品，而是作為結(jié)構(gòu)碳源參與調(diào)控基因表達(dá)。蛋白質(zhì)乳酸化的發(fā)現(xiàn)為人們理解“代謝-表觀遺傳-功能”之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系提供了新的視角，也為相關(guān)疾病的機(jī)制研究與干預(yù)策略開(kāi)發(fā)打開(kāi)了全新思路。

Hu Y, et al. Clin Epigenetics. 2024.

圖3. 蛋白質(zhì)乳酸化調(diào)控基因表達(dá)和蛋白質(zhì)功能

乳酸化機(jī)制

蛋白質(zhì)乳酸化（lactylation）是一種新型賴(lài)氨酸翻譯后修飾，化學(xué)上表現(xiàn)為乳酸基團(tuán)（–CO–CH?OH）通過(guò)酰胺鍵共價(jià)修飾蛋白質(zhì)上的賴(lài)氨酸殘基。這一過(guò)程被認(rèn)為主要依賴(lài)于代謝中間體——乳酰輔酶A（lactoyl-CoA）作為?；w，在一定酶促或非酶促條件下完成共價(jià)結(jié)合。lactoyl-CoA 的生成可能來(lái)源于糖酵解增強(qiáng)、乳酸積累或輔酶A參與下的代謝旁路活躍狀態(tài)。

Liu J, et al. Biomolecules. 2024.

圖4. 乳酸化的機(jī)制和調(diào)控

盡管乳酸化相關(guān)的“writer”酶（即介導(dǎo)乳酸化修飾的催化酶）尚未被系統(tǒng)確證，但已有研究提出p300/CBP等組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HATs）可能具有雙功能，能在特定代謝背景下將乳酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到組蛋白和非組蛋白賴(lài)氨酸上。有研究表明，p300在高乳酸條件下與乳酰輔酶A存在直接結(jié)合能力，可調(diào)節(jié)特定位點(diǎn)的乳酸化水平。此外，近期也有研究嘗試通過(guò)高通量篩選方式識(shí)別潛在的乳酸化轉(zhuǎn)移酶，但目前尚無(wú)特異性強(qiáng)、功能明晰的“writer”得到gōng rèn。

相較于writer系統(tǒng)，乳酸化的“eraser”酶（去乳酸化酶）研究則更加初步。某些去乙酰化酶家族成員，如HDACs或Sirtuins（特別是SIRT2、SIRT3），在體外實(shí)驗(yàn)中被觀察到具有一定的去乳酸化活性，但其底物特異性、細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo)及調(diào)控條件仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。由于乳酸化與乙酰化在質(zhì)量數(shù)與結(jié)構(gòu)上接近，傳統(tǒng)酶篩選方法對(duì)兩者的識(shí)別區(qū)分存在技術(shù)挑戰(zhàn)，制約了eraser研究的深入。

此外，對(duì)于乳酸化是否存在“reader”蛋白——即識(shí)別乳酸化修飾并介導(dǎo)下游功能效應(yīng)的結(jié)構(gòu)域，目前尚無(wú)明確定義的乳酸化識(shí)別結(jié)構(gòu)域（如乙?；腷romodomain或甲基化的chromodomain）。然而，有研究推測(cè)某些轉(zhuǎn)錄因子或染色質(zhì)重塑復(fù)合物可能通過(guò)感應(yīng)乳酸化位點(diǎn)變化參與染色質(zhì)狀態(tài)調(diào)控，這一方向仍處于早期探索階段。

值得注意的是，乳酸化與其他賴(lài)氨酸修飾（如乙?；?、甲基化、泛素化等）在同一位點(diǎn)可能存在競(jìng)爭(zhēng)性關(guān)系，也可能形成串?dāng)_網(wǎng)絡(luò)。在應(yīng)激、缺氧、炎癥等微環(huán)境下，這些修飾動(dòng)態(tài)變化共同塑造蛋白質(zhì)功能狀態(tài)和基因表達(dá)圖譜。因此，乳酸化不僅是一個(gè)獨(dú)立修飾事件，更嵌套在更復(fù)雜的“多修飾交互調(diào)控網(wǎng)絡(luò)”中，其調(diào)控模式具有顯著的條件依賴(lài)性和細(xì)胞特異性。

Song, H. et al. Genes Dis. 2022.

圖5. DNA損傷反應(yīng)中乳酸化相互作用示意圖

組蛋白乳酸化與非組蛋白乳酸化

乳酸化最初是在組蛋白上被發(fā)現(xiàn)的，尤其是在組蛋白H3的賴(lài)氨酸殘基（如H3K18、H3K9）上。組蛋白乳酸化會(huì)改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄活性。實(shí)驗(yàn)表明，在缺氧或炎癥刺激下，組蛋白乳酸化水平升高，參與調(diào)節(jié)促炎因子、修復(fù)相關(guān)基因等的表達(dá)。隨著檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的非組蛋白蛋白質(zhì)也被發(fā)現(xiàn)可發(fā)生乳酸化修飾。這些蛋白包括轉(zhuǎn)錄因子、代謝酶、信號(hào)通路蛋白等，提示乳酸化不僅僅限于染色質(zhì)調(diào)控，還可能直接影響細(xì)胞代謝、免疫識(shí)別、細(xì)胞遷移等多種生物過(guò)程，其功能范圍遠(yuǎn)比最初設(shè)想的更加廣泛。

非組蛋白乳酸化修飾過(guò)程涉及一系列精細(xì)的酶促反應(yīng)，首先是由乳酸化酶（如賴(lài)氨酸乳酸化轉(zhuǎn)移酶）將乳酸基團(tuán)添加到目標(biāo)蛋白質(zhì)的賴(lài)氨酸殘基上。這一過(guò)程通常在細(xì)胞內(nèi)的能量代謝壓力下發(fā)生，特別是在缺氧、炎癥反應(yīng)或代謝應(yīng)激條件下，乳酸濃度上升，激活乳酸化轉(zhuǎn)移酶。在乳酸化過(guò)程中，乳酸基團(tuán)通過(guò)酰胺鍵與賴(lài)氨酸的氨基結(jié)合，形成可逆的乳酸化修飾。此修飾不僅改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象和穩(wěn)定性，還通過(guò)影響蛋白-蛋白相互作用、亞細(xì)胞定位及其催化活性，調(diào)控多種細(xì)胞過(guò)程，如基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞周期、免疫反應(yīng)和細(xì)胞遷移等，成為重要的生物學(xué)調(diào)控機(jī)制。

Yu, H. et al. Heliyon. 2024.

圖6. 非組蛋白乳酸化的產(chǎn)生

乳酸化與疾病：從機(jī)制到病理相關(guān)性

乳酸化正被逐步證實(shí)在多種重大疾病中發(fā)揮重要調(diào)控作用。其核心機(jī)制在于：乳酸積累通過(guò)修飾蛋白質(zhì)賴(lài)氨酸殘基，改變基因表達(dá)和細(xì)胞功能，進(jìn)而介入炎癥、免疫、代謝及神經(jīng)系統(tǒng)等多層面調(diào)控。

Ren, H. et al. Nat Metab. 2025.

圖7. 腫瘤中的蛋白質(zhì)乳酸化

乳酸化通過(guò)代謝感應(yīng)與表觀調(diào)控的耦聯(lián)，在多類(lèi)疾病中呈現(xiàn)出重要的調(diào)節(jié)作用，未來(lái)有望成為疾病干預(yù)的新靶點(diǎn)。

乳酸化相關(guān)的治療靶點(diǎn)與干預(yù)策略

由于乳酸化在疾病中的重要作用，越來(lái)越多研究開(kāi)始探索其作為治療靶點(diǎn)的可行性。一個(gè)重要思路是通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的乳酸濃度來(lái)間接影響乳酸化水平。例如，抑制乳酸生成的乳酸脫氫酶（LDH）抑制劑或阻斷乳酸外排的單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（MCT）抑制劑已被用于實(shí)驗(yàn)性治療中。

Benjamin, D. et al. Cell Rep. 2018.

圖8. MCT抑制劑昔洛舍平抑制乳酸生成的機(jī)制

同時(shí)，研究人員也在嘗試尋找乳酸化的“writer”、“eraser”和“reader”蛋白質(zhì)，以開(kāi)發(fā)靶向酶調(diào)控的干預(yù)策略。盡管目前尚無(wú)乳酸化特異性的小分子藥物進(jìn)入臨床，但它已成為表觀調(diào)控與代謝干預(yù)結(jié)合的新興領(lǐng)域，未來(lái)具有巨大的轉(zhuǎn)化潛力。

Hu, XT. et al. J Adv Res. 2024.

圖9. 靶向乳酸化調(diào)控策略

乳酸化分析方法

乳酸化的發(fā)現(xiàn)離不開(kāi)先進(jìn)的質(zhì)譜技術(shù)，目前主流的分析流程包括：蛋白質(zhì)酶解后富集乳酸化肽段，采用高分辨率LC-MS/MS進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)與人工校正實(shí)現(xiàn)乳酸化位點(diǎn)的鑒定與定量。常用的數(shù)據(jù)庫(kù)搜索引擎如pFind、Byonic等，已支持乳酸化修飾的識(shí)別。

Liu, J. et al. Biomolecules. 2024.

圖10. 乳酸化分析流程

此外，為提升檢測(cè)靈敏度和特異性，研究者還在開(kāi)發(fā)乳酸化特異性抗體，用于Western blot或免疫富集。未來(lái)，隨著抗體質(zhì)量提升和多重串?dāng)_識(shí)別算法的發(fā)展，乳酸化組學(xué)將從“發(fā)現(xiàn)階段”邁入“功能解析與系統(tǒng)建?！彪A段，推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)一步成熟。

結(jié)語(yǔ)

乳酸化作為一種代謝驅(qū)動(dòng)型的蛋白質(zhì)修飾方式，正逐步改變?nèi)藗儗?duì)“乳酸只是廢物”的舊有認(rèn)知。它在連接代謝狀態(tài)、染色質(zhì)狀態(tài)與細(xì)胞功能方面發(fā)揮著橋梁作用，為我們理解疾病機(jī)制、發(fā)現(xiàn)治療靶點(diǎn)、構(gòu)建調(diào)控網(wǎng)絡(luò)提供了新的視角。

雖然目前關(guān)于乳酸化的研究仍處于起步階段，存在機(jī)制不清、技術(shù)受限等問(wèn)題，但其科學(xué)意義和應(yīng)用潛力無(wú)可忽視。百泰派克將持續(xù)關(guān)注并推進(jìn)乳酸化相關(guān)的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)，為基礎(chǔ)研究與生物醫(yī)藥轉(zhuǎn)化提供有力支持。

如需了解百泰派克在乳酸化修飾研究方面的分析服務(wù)，歡迎聯(lián)系我們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)獲取詳細(xì)信息與個(gè)性化方案建議。

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