2024年9月25日，浙江大學張龍教授團隊在Nature雜志上在線發表了題為：AARS1 and AARS2 sense L-lactate to regulate cGAS as global lysine lactyltransferases的最新研究成果。該研究首次闡明胞內乳酸如何被感知并介導蛋白乳酸化修飾的具體過程。

南模生物為該研究定制了cGAS-K156R敲入小鼠(cGAS^KR/KR)、cGAS-K156Q敲入小鼠(cGAS^KQ/KQ)以及Lyz-Cre小鼠。

近年來，生物學領域取得了重大突破，確定了一種新的翻譯后修飾過程——乳酸化，這種修飾并不局限于特定的蛋白質，它可以出現在組蛋白、轉錄因子、信號分子、酶和底物等不同的蛋白類型上。乳酸化在調控基因表達、蛋白質功能、腫瘤微環境等多種生物學過程中起著重要作用。由此可見，對乳酸化作用的分子機制及其調控功能的研究將成為未來的熱點。
 

乳酸化修飾過程 (Jing F, et al., 2024)
 

cGAS是體內核苷酸轉移酶，能夠催化GTP和ATP形成環狀GMP-AMP（cGAMP），并通過激活STING觸發天然免疫反應，介導抗病毒抗腫瘤作用。蛋白質的翻譯后修飾對cGAS的調控作用具有重要意義，同時有研究表明，乳酸堆積往往與腫瘤和免疫系統紊亂疾病的預后不良相關，且L-乳酸能乳酸化修飾蛋白質。那么，L-乳酸是否會乳酸化修飾cGAS？胞內積累的乳酸是如何被感知的？又存在怎樣的機制使L-乳酸對蛋白質進行乳酸化修飾呢？

對于這些科學問題，張龍教授團隊進行了以下研究來回答：

1.乳酸化的cGAS功能被抑制
作者發現臨床上感染人巨細胞病毒（HCMV）的患者群體中，血清L-乳酸水平正常的個體相較于高乳酸血癥（H-Lac）或乳酸酸中毒（LA）的患者，其血清中cGAMP和IFNβ的濃度顯著升高。同時，體外實驗結果表明，L-乳酸處理可提高cGAS的乳酸化水平，降低cGAS催化cGAMP產生的活性。

Fig1. MCT1介導的L-乳酸攝取模型，通過未知的細胞內L-乳酸傳感器和乳酰轉移酶催化cGAS的乳酸化，從而抑制cGAMP的合成。

2.AARS1/2是L-乳酸的感受器
為確定細胞內L-乳酸的感受器及催化cGAS乳酸化的蛋白，作者進行了全基因組CRISPR篩選。進一步利用乳酸化修飾組學分析發現敲低丙氨酰-tRNA合成酶1或2（AARS1/2）可抑制L-乳酸誘導的乳酸化修飾水平，過表達AARS1/2則結果相反。以上結果提示，AARS1/2是細胞內的乳酸傳感器，并對蛋白質組賴氨酸的乳酸化修飾具有關鍵作用。
 

Fig2. 全基因組CRISPR篩選發現AARS1/2是細胞內的乳酸傳感器。

3.AARS1/2是ATP依賴的乳酸轉移酶
作者進一步探究了AARS1/2調控蛋白質賴氨酸乳酸化的具體機制：L-乳酸被AARS以ATP依賴的方式激活，生成中間體乳酸-AMP，然后將乳酸基團Lac轉移至目標蛋白質N端特定的賴氨酸殘基上。AARS1/2與L-乳酸結合，直接催化L-乳酸在賴氨酸受體端進行ATP依賴性的乳酸化。該模式能夠將葡萄糖的代謝產物L-乳酸和ATP共價修飾到蛋白質上，直接改變重要蛋白質的功能。在L-乳酸的作用下，AARS2與cGAS結合，在細胞和小鼠模型中介導cGAS的乳酸化，導致cGAS失活。
 

Fig3. AARS1/2通過兩步反應以ATP依賴的方式催化L-乳酸對蛋白質的乳酸化修飾。

4.AARS2在體內介導cGAS乳酸化
作者又進一步探究了AARS1/2對cGAS的乳酸化修飾作用。結果表明，在人和小鼠細胞中，AARS2（而非AARS1）介導了cGAS的乳酸化，進而抑制了cGAS的活性。

為明確cGAS蛋白N端乳酸化對cGAS蛋白的影響，作者開發了一種遺傳密碼子拓展正交系統。該系統可將乳酸化賴氨酸插入重組cGAS蛋白中，以實現體外的cGAS乳酸化。結果發現，未乳酸化的cGAS對干擾素刺激DNA的結合能力高于乳酸化的cGAS。且未乳酸化的cGAS與DNA形成的液滴更大、熒光強度更高，具有更好的可逆性。而在體外與100bp DNA或HT-DN孵育后，未乳酸化的cGAS合成cGAMP的能力增強，乳酸化的cGAS則相反。未乳酸化的cGAS與DNA形成的液滴具有高度的擴散性和滲透性，而乳酸化的cGAS則排斥DNA，自聚集成凝膠狀液滴，表現出較低的擴散和滲透性。以上結果提示，cGAS特定N端賴氨酸的乳酸化使其失去液液相分離（LLPS）的能力和酶活性。

為進一步明確為什么cGAS乳酸化后會轉而排斥DNA，作者分別比較了cGAS與DNA及自身蛋白的親和力。結果表明，未乳酸化的cGAS與DNA的親和力顯著高于與自身結合的親和力，而乳酸化的cGAS由于正電荷的損失降低了其對DNA的親和力，故而排斥DNA。
 

Fig4. 未乳酸化的cGAS可以有效地與DNA形成LLPS，而乳酸化的cGAS排斥DNA并在富含DNA的環境中自聚集形成凝膠狀液滴。

5.乳酸化修飾消除了cGAS對DNA的識別，阻斷MCT1可恢復此過程。
接下來研究者分別構建了cGAS-K156Q基因敲入小鼠模型(cGAS^KQ/KQ)和cGAS-K156R基因敲入小鼠模型(cGAS^KR/KR)在小鼠體內模擬乳酸化和去乳酸化修飾。

用HSV-1感染小鼠后，研究者們發現cGAS^KQ/KQ小鼠具有更嚴重的肺部損傷和更高的死亡率；而cGAS^KR/KR小鼠呈現較輕的肺部損傷和低死亡率。這提示cGAS的乳酸化在體內具有免疫抑制功能。此研究還測試了多種方法以挽救由高水平L-乳酸引發的固有免疫監視逃逸，最終發現MCT1抑制劑AZD能夠通過阻斷L-乳酸進入固有免疫細胞，恢復cGAS活性和細胞固有免疫功能。

在HSV-1感染患者中，患有焦慮癥的患者的血清中有較高的L-乳酸水平，以及較低的cGAMP和IFNβ濃度。這些數據表明，L-乳酸介導的cGAS抑制可能與焦慮引起的免疫監視不良有關。為驗證以上猜想，研究者構建焦慮小鼠模型，發現焦慮小鼠血清中L-乳酸水平均顯著升高，且對病毒的易感性增加。而使用MCT1抑制劑，可阻斷L-乳酸轉運進入固有免疫細胞，從而維持細胞質DNA感知和固有免疫監視。
 

Fig5. cGAS乳酸化抑制免疫監視，可以通過阻斷MCT1來挽救此過程。

總之，作者團隊將AARS1/2確立為細胞內L-乳酸傳感器和乳酰轉移酶，AARS1/2在L-乳酸誘導的蛋白質組范圍的乳酸化作用中至關重要。作者還在分子水平上描述了AARS1/2如何催化L-乳酸與賴氨酸的ATP依賴性結合。高水平的L-乳酸可通過AARS2使cGAS乳酸化，進而降低了機體的固有免疫。該研究開創性地提供了對L-乳酸和乳酸化的新見解，將為未來的研究鋪平道路。

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