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新年第一场组会,大可讲讲这篇Nature上的重大突

Source:佚名Author:Alex Addtime:2020/02/15 Click:

新年第一场组会,大可讲讲这篇Nature上的重大突破

解螺旋公众号·陪伴你科研的第2114天


“乳酸时钟”——巨噬细胞极化的的杠杆


上世纪二十年代,Warburg发现肿瘤细胞即使在有氧条件下也趋向于通过糖酵解提供能量,即“有氧糖酵解”。


随后,5878棋牌下载这一现象被命名为“Warburg效应”,Warburg也因为发现细胞呼吸代谢的本质而获得1931年诺贝尔生理学奖。


几十年来,很多研究从能量代谢的角度揭示了肿瘤细胞做出如此“下策”的原因。


但今天,我们的主角并不是能量,而是一直被人们认为是“代谢废弃物”的糖酵解产物——乳酸(lactic acid)。


在中学的时候,乳酸一词对我们已经不算陌生。


丰富的生活经验告诉我们,在剧烈运动之后,肌肉细胞无氧代谢产生的乳酸会让我们产生酸痛感。


很多研究从代谢角度揭示了乳酸的诸多功能,涉及到了多个领域。


但人们从未发现乳酸参与的表观遗传修饰。


在这篇于2019年10月23日在线发表于Nature的文章中,芝加哥大学赵英明教授首次报道了组蛋白H3K18乳酸化修饰。


这一发现不仅为蛋白质的翻译后修饰研究开辟了新领域,也为代谢产物乳酸在肿瘤、免疫领域参与的研究指引了新方向。


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赵英明教授的课题组在先前的研究中开发出了一种基于质谱技术寻找新的质量偏移的软件工具——PTMap。


在此基础上,赵教授鉴定出一系列酰化作用,极大丰富了人们对于“组蛋白密码”的认识。


本文的研究也始于在MCF7核心组蛋白水解肽段的LC-MS/MS实验中检测到的质量偏移,而且偏移的质量为72.021道尔顿。


因此作者推测可能是由于在赖氨酸上添加了乳酸基团所致,并通过人工合成肽段和体内分离肽段进行质谱图谱对比,从而证实了这一猜想(Fig.1a-b)。


在此基础上,作者通过质谱分析分别鉴定出人Hela细胞中的26个组蛋白乳酸化修饰位点和小鼠BMDMs细胞中的16个组蛋白乳酸化修饰位点(Fig.3c)。


Figure 1:组蛋白乳酸化的鉴定及验证


明确组蛋白乳酸化(H3K18la)存在后,接下来显而易见的问题便是乳酸化修饰所用的乳酸从哪里来?


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当然,首先想到的就是糖酵解。


为此,作者用多种葡萄糖浓度处理MCF7细胞系,发现细胞内乳酸的产生和H3K18la修饰水平都呈剂量依赖型增加(Fig.2a-b)。


使用不可代谢的葡萄糖类似物2-脱氧葡糖(2-DG)则对乳酸产生和H3K18la修饰都不产生影响(Fig.2c-d)。


而体内乳酸的产生量由糖酵解和线粒体代谢之间的平衡决定,为此作者检测了这两个通路中的关键酶活性对乳酸水平和H3K18la的影响(Fig.2e)。


结果表明,在使用糖酵解中的两个抑制剂——二氯乙酸钠(Sodium dichloroacetate, DCA)和草氨酸盐(Oxamate)后,细胞内乳酸水平(Fig.2f)和H3K18la水平显著下降(Fig. 2g-h),而线粒体代谢抑制剂——鱼藤酮(Rotenone)处理后,细胞内乳酸水平(Fig.2f)和H3K18la水平均显著升高(Fig.2i)。


Figure 2:乳酸调控组蛋白乳酸化水平


为了进一步探究病理状态下糖酵解变化对乳酸水平和H3K18la水平的影响,作者选取了缺氧和M1型巨噬细胞极化两个模型进行研究。


已有研究表明,在缺氧应答中,细胞通过抑制氧化磷酸化和增强糖酵解实现代谢重编程,这刺激了乳酸的产生。


作者发现缺氧能够诱导MCF7细胞内源性乳酸水平(Fig.2j)和H3K18la水平的增加(Fig.2k)。


已有研究表明,M1型巨噬细胞极化过程中经历代谢重编程进行有氧糖酵解,产生乳酸;


而M2型巨噬细胞极化过程中则增强了有氧磷酸化和脂肪酸代谢。


为了验证这一假设,作者用LPS和IFN-γ处理了小鼠BMDMs,检测了乳酸水平和H3K18la水平随时间变化的动力学特征。


结果表明从处理后16 h开始,乳酸水平和H3K18la水平开始显著上升(Fig.3a-c)。


而且,这种作用仅在M1型巨噬细胞极化中发生(Fig.3d)。


很多研究表明,组蛋白修饰在基因表达调控中发挥重要作用。


为探究在H3K18la修饰形成(即处理24 h使H3K18la修饰水平达到较高水平)后,其对基因表达的影响。


作者首先使用H3K18la和H3K18ac特异性抗体进行了ChIP-seq和ChIP-qPCR实验,结果表明处理后水平升高2倍的H3K18la水平所修饰的基因显著多于H3K18ac,而且H3K18la修饰的基因中大部分不会存在H3K18ac修饰(Fig.3e-f)。


为了进一步探明H3K18la修饰对基因表达的影响,作者进行了RNA-seq和动力学分析实验。


结果表明在LPS和IFN-γ处理后的4 h起,炎症应答基因(例如Nos2)就已经开始上调,在16-24 h内降低到一定水平(Fig.3g)。


与此同时,被H3K18la特异性修饰的一类基因(例如ARG1)主要在16-24 h内开始显著上调(Fig.3h)。


有趣的是,这类上调的基因主要富集在M2巨噬细胞极化相关的“wound healing”通路。


为了更充分模拟生理过程,作者使用革兰氏阴性菌处理小鼠BMDMs激活M1型巨噬细胞极化,同样诱导了乳酸水平和H3K18la修饰水平的上升(Fig.3i-j)。


Figure 3:M1型巨噬细胞极化中组蛋白乳酸化修饰与M2型基因激活相关


巨噬细胞极化过程中,精氨酸的分解代谢和合成代谢十分关键。


研究表明M1型巨噬细胞含有低水平的ARG1,通过一氧化氮合酶产生一氧化氮代谢精氨酸,杀死病原体。


而M2巨噬细胞有高水平的ARG1,产生鸟氨酸促进伤口愈合。


因此,作者验证了M1型巨噬细胞中ARG1和Nos2的动力学变化。


结果表明在M1极化后24-48 h,ARG1蛋白水平和活性显著增加,而NOS2蛋白水平和功能在M1极化12 h后达到峰值,并在以后的时间点下降。


上述的实验结果表明,炎症刺激后期M1型巨噬细胞中的H3K18la修饰与一系列M2型基因的表达激活相关。


为了进一步验证这一点,作者通过直接控制M1型巨噬细胞中乳酸水平观察M2型基因的表达变化。


一方面,作者通过敲除LDHA(乳酸脱氢酶)降低M1细胞中乳酸水平和H3K18la修饰水平(Fig.4a-b),结果表明ARG1表达显著降低(Fig.4c),ARG1启动子区域的H3K18la修饰水平也显著降低(Fig.4d);另一方面,作者通过添加外源性乳酸提高M1巨噬细胞中乳酸水平和H3K18la修饰水平(Fig.4e-f),结果表明ARG1表达显著上调(Fig.4g),ARG1启动子区域的H3K18la修饰水平也显著提高(Fig.4h)。


Figure 4:乳酸通过组蛋白乳酸化修饰介导M2型基因表达


综上所述,作者的研究表明,在M1型巨噬细胞极化过程中发生的有氧糖酵解启动了一个“乳酸时钟”。


该时钟通过介导组蛋白H3第18位赖氨酸的乳酸化修饰在M1型巨噬细胞极化晚期诱导M2型基因表达。


这可能发挥了平衡巨噬细胞极化的作用,有助于宿主在感染过程中进行组织修复,缓解炎症带来的组织损伤。


读完这篇文章,说实话笔者内心还是有一些小遗憾。


本文两位通讯作者中,赵英明教授实验室主要通过质谱分析发现了组蛋白乳酸化修饰这种全新的表观修饰方式;


而另一位通讯作者Lev Becker教授的研究领域是巨噬细胞极化。


笔者遗憾的是这种全新的组蛋白乳酸化修饰还没有在癌症中被充分验证,我也十分期待乳酸化——这一似乎与肿瘤发生发展十分相关的表观修饰能够为肿瘤领域开拓出新的方向。


参考文献:Zhang D, Tang Z, Huang H, et al. Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature. 2019;574(7779):575–580. doi:10.1038/s41586-019-1678-1