蛋白質(zhì)乳酸化的發(fā)現(xiàn)

長期以來，乳酸（lactate）被視為細胞代謝中的“廢棄物”。在經(jīng)典代謝路徑中，細胞在缺氧或高強度代謝狀態(tài)下會啟動糖酵解，快速將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸。由于缺乏氧氣，丙酮酸無法進入線粒體的三羧酸循環(huán)，而是被還原為乳酸，以再生NAD?供糖酵解持續(xù)進行。這一過程雖然維持了能量供應(yīng)，卻也導(dǎo)致乳酸大量積累，因此乳酸長期被貼上“無氧代謝副產(chǎn)物”的標簽，被認為需要通過轉(zhuǎn)運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，近年來的研究表明，乳酸并非“無用之物”，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胞之間“轉(zhuǎn)運利用”，還可通過特定的乳酸受體（如GPR81）參與細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)免疫、神經(jīng)與內(nèi)分泌活動。更重要的是，乳酸作為代謝中間物，能夠通過?；揎椯嚢彼釟埢?，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)與基因表達之間直接耦聯(lián)的新機制。

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

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

在高代謝活動的細胞或組織中，如腫瘤細胞、活化的免疫細胞（如巨噬細胞）和缺血區(qū)域的組織細胞，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。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)疾病的機制研究與干預(yù)策略開發(fā)打開了全新思路。

Hu Y, et al. Clin Epigenetics. 2024.

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

乳酸化機制

蛋白質(zhì)乳酸化（lactylation）是一種新型賴氨酸翻譯后修飾，化學(xué)上表現(xiàn)為乳酸基團（–CO–CH?OH）通過酰胺鍵共價修飾蛋白質(zhì)上的賴氨酸殘基。這一過程被認為主要依賴于代謝中間體——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結(jié)合。lactoyl-CoA 的生成可能來源于糖酵解增強、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轉(zhuǎn)移到組蛋白和非組蛋白賴氨酸上。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)特定位點的乳酸化水平。此外，近期也有研究嘗試通過高通量篩選方式識別潛在的乳酸化轉(zhuǎn)移酶，但目前尚無特異性強、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），在體外實驗中被觀察到具有一定的去乳酸化活性，但其底物特異性、細胞內(nèi)靶標及調(diào)控條件仍需進一步驗證。由于乳酸化與乙?；谫|(zhì)量數(shù)與結(jié)構(gòu)上接近，傳統(tǒng)酶篩選方法對兩者的識別區(qū)分存在技術(shù)挑戰(zhàn)，制約了eraser研究的深入。

此外，對于乳酸化是否存在“reader”蛋白——即識別乳酸化修飾并介導(dǎo)下游功能效應(yīng)的結(jié)構(gòu)域，目前尚無明確定義的乳酸化識別結(jié)構(gòu)域（如乙?；腷romodomain或甲基化的chromodomain）。然而，有研究推測某些轉(zhuǎn)錄因子或染色質(zhì)重塑復(fù)合物可能通過感應(yīng)乳酸化位點變化參與染色質(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，乳酸化與其他賴氨酸修飾（如乙?；⒓谆?、泛素化等）在同一位點可能存在競爭性關(guān)系，也可能形成串擾網(wǎng)絡(luò)。在應(yīng)激、缺氧、炎癥等微環(huán)境下，這些修飾動態(tài)變化共同塑造蛋白質(zhì)功能狀態(tài)和基因表達圖譜。因此，乳酸化不僅是一個獨立修飾事件，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性和細胞特異性。

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的賴氨酸殘基（如H3K18、H3K9）上。組蛋白乳酸化會改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄活性。實驗表明，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。隨著檢測技術(shù)的進步，越來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，還可能直接影響細胞代謝、免疫識別、細胞遷移等多種生物過程，其功能范圍遠比最初設(shè)想的更加廣泛。

非組蛋白乳酸化修飾過程涉及一系列精細的酶促反應(yīng)，首先是由乳酸化酶（如賴氨酸乳酸化轉(zhuǎn)移酶）將乳酸基團添加到目標蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基上。這一過程通常在細胞內(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。在乳酸化過程中，乳酸基團通過酰胺鍵與賴氨酸的氨基結(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，還通過影響蛋白-蛋白相互作用、亞細胞定位及其催化活性，調(diào)控多種細胞過程，如基因轉(zhuǎn)錄、細胞周期、免疫反應(yīng)和細胞遷移等，成為重要的生物學(xué)調(diào)控機制。

Yu, H. et al. Heliyon. 2024.

圖6. 非組蛋白乳酸化的產(chǎn)生

乳酸化與疾?。簭臋C制到病理相關(guān)性

乳酸化正被逐步證實在多種重大疾病中發(fā)揮重要調(diào)控作用。其核心機制在于：乳酸積累通過修飾蛋白質(zhì)賴氨酸殘基，改變基因表達和細胞功能，進而介入炎癥、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

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

乳酸化相關(guān)的治療靶點與干預(yù)策略

由于乳酸化在疾病中的重要作用，越來越多研究開始探索其作為治療靶點的可行性。一個重要思路是通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)的乳酸濃度來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)運蛋白（MCT）抑制劑已被用于實驗性治療中。

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制

同時，研究人員也在嘗試尋找乳酸化的“writer”、“eraser”和“reader”蛋白質(zhì)，以開發(fā)靶向酶調(diào)控的干預(yù)策略。盡管目前尚無乳酸化特異性的小分子藥物進入臨床，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)離不開先進的質(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進行檢測，并通過數(shù)據(jù)庫比對與人工校正實現(xiàn)乳酸化位點的鑒定與定量。常用的數(shù)據(jù)庫搜索引擎如pFind、Byonic等，已支持乳酸化修飾的識別。

Liu, J. et al. Biomolecules. 2024.

圖10. 乳酸化分析流程

此外，為提升檢測靈敏度和特異性，研究者還在開發(fā)乳酸化特異性抗體，用于Western blot或免疫富集。未來，隨著抗體質(zhì)量提升和多重串擾識別算法的發(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，推動該領(lǐng)域的進一步成熟。

結(jié)語

乳酸化作為一種代謝驅(qū)動型的蛋白質(zhì)修飾方式，正逐步改變?nèi)藗儗Α叭樗嶂皇菑U物”的舊有認知。它在連接代謝狀態(tài)、染色質(zhì)狀態(tài)與細胞功能方面發(fā)揮著橋梁作用，為我們理解疾病機制、發(fā)現(xiàn)治療靶點、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，存在機制不清、技術(shù)受限等問題，但其科學(xué)意義和應(yīng)用潛力無可忽視。百泰派克將持續(xù)關(guān)注并推進乳酸化相關(guān)的蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)開發(fā)，為基礎(chǔ)研究與生物醫(yī)藥轉(zhuǎn)化提供有力支持。

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