细胞代谢为所有生命过程提供能量和材料来源，肿瘤细胞的一个重要特征是重度依赖糖酵解产生大量乳酸，被称为“瓦伯格效应 ”(Warburg effect)，此现象于1924被德国科学家Otto. Warburg首次提出。瓦伯格效应不但在肿瘤中存在，在免疫细胞激活，细胞重编程等过程中也广泛存在。图来源于Abdel-Haleem AM et al. Front
乳酸于1780年被瑞典化学家卡尔·W·希尔（Carl Wilhelm Scheele）首次从牛奶中分离出，长时间以来乳酸被认为仅仅是糖酵解过程中产生的废物。近些年来，乳酸的一些新功能被陆续发现，比如乳酸可以被肿瘤细胞吸收转运至线粒体进行氧化提供能量，肿瘤微环境中的乳酸对免疫细胞的杀伤功能有抑制作用，乳酸调控天然免疫信号（Cell | 抵抗还是“投降”，这是个值得思考的问题）等。然而从分子水平上对乳酸功能的研究、尤其是乳酸作为能源物质以外的功能研究尚属于一个存在大量未知、有待探索的崭新领域。2019年10月24日，芝加哥大学赵英明教授课题组（共同一作为Di Zhang和Zhanyun Tang）在Nature杂志发表了题为“Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation” 的研究，首次报道了乳酸作为组蛋白翻译后的一种修饰，发挥着基因转录调控的功能。这项最新发现成为该领域的最新突破，不仅帮助人们对乳酸的功能有了崭新的理解，而且将促使医学生物学者们重新审视“瓦伯格效应”这个肿瘤研究中的经典机制。研究者运用质谱，液相色谱，同位素标记，以及免疫学等多种手段鉴定并验证了在人和小鼠的细胞中，组蛋白赖氨酸上的乳酸化修饰广泛存在。
乳酸化修饰来源于细胞葡萄糖代谢产生的乳酸，并受到糖酵解和线粒体氧化代谢的调控；运用同位素葡萄糖代谢标记，研究者发现组蛋白的乳酸化修饰和被广泛研究的乙酰化修饰有着不同的动力学，乳酸化标记到组蛋白的时间相对更晚，提示两种修饰可能有不同的功能。图2. 乳酸化修饰受到糖酵解调控并且与乙酰化修饰动力学不同研究者在体外用脂多糖和干扰素γ（LPS+IFNγ）刺激小鼠骨髓来源的巨噬细胞（Bone-marrow derivedmacrophages, BMDMs）来模拟格兰阴性菌感染，发现巨噬细胞在刺激16-24小时的时候产生大量的乳酸并且诱导组蛋白乳酸化修饰；而同一时刻组蛋白乙酰化水平下降。运用ChIP-seq和RNA-seq手段，研究者发现24小时被诱导的组蛋白乳酸化而非乙酰化与炎症晚期激活的促进细胞稳态的基因表达呈正相关（比如Arg1和伤口愈合通路）。三种格兰阴性细菌感染的巨噬细胞同样佐证了组蛋白乳酸化修饰和这些基因表达的相关性。图3. 巨噬细胞极化诱导组蛋白乳酸化修饰并促进炎症晚期细胞稳态的基因表达
乳酸脱氢酶（Ldha）是糖酵解中最后一步将葡萄糖来源的丙酮酸转化成乳酸的限速酶。Ldha-floxed小鼠和LysM-Cre小鼠杂交可以得到髓系细胞中敲除Ldha的小鼠（LdhaΔLysM）。研究者发现LdhaΔLysM BMDMs和Ldhafl/fl BMDMs相比，体外LPS+IFNγ 刺激诱导的Arg1基因表达明显受到抑制，而且启动子区的乳酸化修饰降低，而炎症早期表达的细胞因子不受影响。给Ldha正常表达的BMDMs在LPS+IFNγ刺激诱导的同时加入Ldha抑制剂或者其他抑制乳酸生成的小分子得到了相同的结论。反过来，研究者在LPS+IFNγ刺激诱导的同时加入乳酸来增加BMDM细胞内乳酸化修饰的水平，则可以进一步增强Arg1基因的表达而不是早期炎症因子的表达。为进一步探究组蛋白乳酸化修饰对转录调控的直接作用，研究者应用体外重组染色质为底物的体外转录系统，直接证明了组蛋白乳酸化修饰激活基因转录。图4. 组蛋白乳酸化修饰促进M2-like基因的表达
近十年来，芝加哥大学的赵英明课题组致力于表观遗传学新修饰的发现和功能研究，比如巴豆酸、琥珀酸、酮体等代谢通路来源的组蛋白修饰为揭示细胞代谢如何调控基因转录提供了新的视角，对相关研究的评述于2017年发表在Nature reviews molecular and biology上。来自其他研究组的越来越多的研究也表明细胞代谢，表观遗传以及基因转录之间有密切联系，比如糖脂代谢来源的组蛋白乙酰化调控肿瘤生长，组蛋白以及DNA的甲基化受到S-腺苷甲硫氨酸和a-酮戊二酸代谢影响从而调控干细胞分化和发育过程，组蛋白糖化后修饰对于染色质结构以及相关疾病具有潜在的调控作用（详见BioArt报道：郑庆飞博士等揭示组蛋白糖化翻译后修饰对于染色质结构的影响及其在疾病中潜在的调控作用）。免疫系统中存在促进炎症的琥珀酸（succinate）修饰及抑制炎症的衣康酸（itaconate）修饰（Nat Chem Biol | 北大王初/陈兴合作利用半胱氨酸糖基化揭示衣康酸对糖酵解的调控作用）。乳酸修饰在参与肿瘤和免疫的调节中可能发挥着独特的作用。在本项研究中，作者发现B16黑色素瘤和LLC1肺癌相关的巨噬细胞中促进肿瘤的Arg1和vegfa的高表达与组蛋白乳酸修饰成正相关，而与乙酰化没有关联。而在细菌感染的免疫模型中，巨噬细胞的组蛋白乳酸化修饰在免疫炎症晚期起到促进恢复稳态的功能。考虑到乳酸代谢在众多正常生理以及病理过程中广泛的被调节并发挥重要作用，新发现的组蛋白乳酸修饰可能为更广泛的研究提供一种新的思路和分子机制。据悉，该工作由赵英明课题组和芝加哥大学Lev Becker教授，Howard Shuman教授，加州大学圣地亚哥分校的任兵教授，佐治亚大学的Y. George Zheng教授，中国四川大学戴伦治教授，上海药物所黄河研究员以及洛克菲勒大学的Robert. G. Roeder教授共同完成。https:///10.1038/s41586-019-1678-11. Pavlova N, Thompson C. The Emerging Hallmarks of Cancer Metabolism[J].Cell Metabolism, 2016, 23(1):27-47.2. Palssonmcdermott E M, O'Neill L A. The Warburg effect then and now:from cancer to inflammatory diseases[J]. Bioessays News & Reviews inMolecular Cellular & Developmental Biology, 2013, 35(11):965-973.3. Kaelin W, Mcknight S. Influence of Metabolism on Epigenetics andDisease[J]. Cell, 2013, 153(1):56-69.4. Sabari B R, et al. Metabolicregulation of gene expression through histone acylations[J]. Nature ReviewsMolecular Cell Biology, 2016, 18(2):90-101.5. Huang H, et al.SnapShot: Histone Modifications[J]. Cell, 2014, 159(2):458-458.e1.6. O’Neill, L. A. J. & Artyomov, M. N. Itaconate: the poster child ofmetabolic reprogramming in macrophage function. Nat. Rev.Immunol. 19,273–281 (2019).7. Di Zhang, et al. (2019) Metabolicregulation of gene expression by histone lactylation. Nature.
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