摘要：缺氧是实体肿瘤的常见特征，会导致肿瘤细胞代谢重编程、侵袭性增强和治疗耐受性增加。缺氧诱导因子1α（HIF-1α）在细胞适应缺氧过程中起核心作用，可诱导乳酸脱氢酶A（LDHA）等代谢酶表达，促进L-乳酸生成。L-乳酸不仅是代谢产物，还作为组蛋白L-乳酰化（KL-
缺氧是实体肿瘤的常见特征，会导致肿瘤细胞代谢重编程、侵袭性增强和治疗耐受性增加。缺氧诱导因子1α（HIF-1α）在细胞适应缺氧过程中起核心作用，可诱导乳酸脱氢酶A（LDHA）等代谢酶表达，促进L-乳酸生成。L-乳酸不仅是代谢产物，还作为组蛋白L-乳酰化（KL-la）修饰的前体，影响基因表达，参与调控多种细胞和生物学过程，与癌症等疾病密切相关[1]。
2024年，赵英明教授团队首次报道并区分了L-乳酸、D-乳酸分别介导的三种乳酰化修饰异构体：L-乳酰化修饰（KL-la）、D-乳酰化修饰（KD-la）和羧乙基化修饰（Kce）（点击链接详细阅读：Nat Chem Biol | 芝加哥大学赵英明团队揭示L-乳酸化是最主要的乳酸化修饰）[2]。然而，目前对于这三种修饰在缺氧条件下的动态调控和差异机制尚不明确。
3月3日，芝加哥大学赵英明教授团队在国际权威期刊PNAS上在线发表了题为“Dynamic investigation of hypoxia-induced L-lactylation”的最新研究成果[3]。该研究探究了缺氧对3种乳酰化修饰异构体的动态调控，阐明了L-乳酰化是缺氧诱导下的主要乳酰化形式，并揭示了L-乳酰化与缺氧标志物和肿瘤恶性之间的显著关联。景杰生物为该研究提供了KL-la、KD-la和Kce特异性单克隆抗体。
01
缺氧特异性诱导KL-la，而非KD-la或Kce
研究首先检测了缺氧条件下（1%氧气）培养的野生型MCF-7细胞的L-乳酸、D-乳酸和MGO（Kce修饰的前体）的浓度及相应代谢通路中相关酶的表达水平，结果发现，缺氧显著增加了L-乳酸浓度和乳酸脱氢酶A（LDHA）的表达，而D-乳酸、MGO、乙二醛酶1（GLO1）和乙二醛酶2（GLO2）水平无明显变化。特异性抗体检测发现，缺氧条件下L-乳酰化水平显著升高，而D-乳酰化和羧乙基化修饰（Kce）水平则无明显变化，以上结果表明缺氧特异性地诱导L-乳酰化的产生。
进一步的，研究构建了乙二醛酶系统（GLO1-/-、GLO2-/-或GLO1/2-/-）缺陷的HEK293T细胞，证实了无论细胞是否缺乏GLO1或GLO2，缺氧处理后L-乳酰化水平均上升，而D-乳酰化和羧乙基化修饰水平则保持稳定。这表明缺氧条件下L-乳酰化的调节与GLO1和GLO2的存在与否无关，且L-乳酰化是唯一响应缺氧的修饰形式。
图1 缺氧特异性诱导KL-la，而非KD-la或Kce
02
KL-la、KD-la和Kce在低氧条件下受到差异调节
接下来，研究人员构建了LDHA−/−、LDHB−/−和LDHA/B−/−的HepG2细胞系，分析其在缺氧条件下的增殖能力和相关修饰水平。结果显示，LDHA/B−/−细胞在缺氧条件下的增殖率显著降低，且L-乳酰化水平显著下降，而D-乳酰化和羧乙基化修饰水平则显著上升。这表明LDHA和LDHB在缺氧条件下对L-乳酰化的产生至关重要，且L-乳酰化、D-乳酰化和羧乙基化修饰在低氧条件下受到差异调节。
基于上述结果，研究猜测糖酵解和线粒体途径也会在缺氧条件下对这3种修饰进行差异调节。通过使用小分子抑制剂调节WT MCF-7细胞的糖酵解和线粒体呼吸途径，研究发现不同抑制剂对KL-la、KD-la和Kce的影响各异。缺氧条件仅特异性诱导L-乳酰化，且L-乳酰化与其他两种修饰在代谢调控上存在差异。
图2 在LDH缺陷细胞中，缺氧诱导的KL-la上调被消除
03
L-乳酰化与缺氧和癌症恶性肿瘤相关
鉴于HIF-1α是介导细胞反应和对低氧应激适应的主要转录因子，研究者推测HIF-1α的活性会导致KL-la、KD-la和Kce的差异调节。研究者通过VHL抑制剂VH-298、HIF-1α抑制剂PX-478和PHD激动剂R59949处理MCF-7细胞，检测各个条件下LDHA的表达和KL-la、KD-la和Kce的水平，结果表明，HIF-1α的活性与L-乳酰化水平密切相关，而与D-乳酰化和羧乙基化修饰无关。
此外，免疫组化结果表明，L-乳酰化水平与肺腺癌中的缺氧和癌症恶性肿瘤相关；且免疫荧光染色实验发现，缺氧条件下诱导产生的L-乳酰化主要定位于细胞核，而D-乳酰化和羧乙基化修饰则主要定位于细胞质。这提示L-乳酰化可能在细胞核内发挥特定功能。
图3 HIF-1α的活性与KL-la水平密切相关
04
缺氧调控的组蛋白L-乳酰化修饰图谱
为了更深入地了解缺氧对组蛋白L-乳酰化的调控，研究基于质谱绘制了缺氧调控的组蛋白L-乳酰化定量图谱。结果共鉴定出103个组蛋白L-乳酰化位点。其中，绝大多数在缺氧条件下呈现上调趋势，仅有一个位点（H1.2K105）显示出轻微的下调。进一步的分析表明，不同组蛋白亚型上的L-乳酰化位点在缺氧条件下的调控存在异质性。
进一步的，研究者通过SILAC结合免疫沉淀和HPLC/MS/MS分析，发现p300/CBP抑制剂A485在常氧和缺氧条件下均能显著抑制L-乳酰化水平。这表明p300/CBP在缺氧诱导的L-乳酰化中发挥了重要作用。
此外，ChIP-Seq实验结果表明，缺氧条件下H3K18L-la在启动子区域的富集增加，相关基因主要富集于HIF-1α信号通路和糖酵解/糖异生通路。缺氧时，糖酵解酶基因被H3K18L-la显著上调，而丙酮酸脱氢酶（PDH）基因下调，这进一步强调了H3K18L-la在缺氧适应过程中的关键作用。
图4 缺氧调控的组蛋白乳酰化定量图谱
综上所述，本研究深入探讨了缺氧条件下细胞内KL-la、KD-la和Kce三种赖氨酸乳酰化修饰的动态调控机制，揭示了L-乳酰化作为响应缺氧微环境的主要修饰形式，其产生与HIF-1α的稳定、LDHA的上调以及p300/CBP的活性密切相关，并且主要定位于细胞核内，参与调控缺氧诱导的基因表达变化和细胞代谢重编程。这些发现不仅丰富了我们对缺氧条件下细胞代谢调控和表观遗传修饰机制的认识，也为开发针对缺氧相关疾病（如肿瘤）的新型治疗策略提供了潜在的靶点和理论依据。
景杰评述
继24年赵英明教授发现KL-la、KD-la和Kce这三种赖氨酸乳酰化修饰后，本研究证实了三者在细胞内的水平、修饰位点以及调控机制上存在显著差异：缺氧与L-乳酰化浓度密切相关，且在组蛋白上呈现高强度的修饰，受p300/CBP等酶的调控；而KD-la和Kce则主要由糖酵解的其他代谢产物诱导产生，修饰水平较低，且不受LDH和HIF-1α的直接影响。本研究通过一系列实验，揭示了缺氧条件下这三种修饰的差异性调控机制，明确了L-乳酰化作为缺氧响应的主要修饰形式，为深入理解缺氧条件下细胞的代谢调控和基因表达调控提供了新的视角。
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参考文献：
1. Zhang D, et al. 2019. Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature.
2. Zhang D, et al. 2024. Lysine L-lactylation is the dominant lactylation isomer induced by glycolysis. Nat Chem Biol.
3. Gao J, et al. 2025. Dynamic investigation of hypoxia-induced L-lactylation. Proc Natl Acad Sci U S A.
来源：景杰生物