分享一篇发表在PNAS上的文章，文章的题目为“Dynamic investigation of hypoxia-induced L-lactylation”，通讯作者为来自芝加哥大学癌症研究系的赵英明教授，研究方向为蛋白质组学、表观遗传学和与癌症相关的代谢现象。本文的第一作者高晋君博士为王初课题组2019届博士毕业生，现任北京大学深圳研究生院助理教授/特聘研究员、课题组长、博士生导师。在本文中，作者深入研究了缺氧对三种乳酰化异构体修饰的动态调控，证实了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。

缺氧微环境是实体肿瘤的显著特征，也是其与正常组织的关键区别缺氧微环境对肿瘤生物学有着广泛的影响，包括但不限于重编程代谢通路，促进肿瘤血管生成，促进肿瘤侵袭和转移，以及抑制免疫反应等。这些影响共同作用使得肿瘤中的缺氧微环境与治疗抵抗密切相关，从而使其成为近年来癌症创新药物开发中最重要的靶标之一。细胞对缺氧的适应主要由缺氧诱导因子（hypoxia inducible factors，HIFs）调控。在缺氧条件下，HIF的稳定性增强，进而调控与缺氧适应相关的代谢通路变化，其中最显著的影响是糖酵解水平升高和线粒体呼吸被抑制。这些变化共同导致缺氧组织中L-乳酸（以下简称乳酸）水平的显著增加。

芝加哥大学赵英明课题组于2019年首次发现了乳酸共价修饰于赖氨酸侧链残基所形成的乳酰化修饰，并揭示了其在调控基因表达中的重要作用。在细胞中，这种修饰具有另外两种同分异构体，分别是由甲基乙二醛（MGO）直接与Lys反应生成的Kce修饰，以及MGO先与GSH中的半胱氨酸残基反应生成D-LGSH中间体，再转移到Lys上形成的KD-la修饰。而这三种修饰在众多乳酰化相关研究中的作用以及核定位等方面的研究中经常被混淆。

本文聚焦缺氧应激过程中三种乳酸化异构体（KL-la、KD-la、Kce）的动态调控与功能差异，揭示了KL-la作为缺氧特异性修饰的核心作用，为靶向代谢-表观遗传调控轴的肿瘤治疗提供了新思路。

作者首先在缺氧条件下检测细胞内代谢物的浓度水平，发现：在缺氧条件下L-乳酸水平显著增加而D-乳酸和MGO保持不变，且在相应代谢通路中酶的水平中，LDHA显著上调，而GLO1和GLO2保持不变。之后，作者使用开发的高特异性的KL-la泛抗、KD-la泛抗和Kce泛抗评估了缺氧处理后的细胞内对应修饰水平，发现在缺氧条件下KL-la水平上升，而KD-la和Kce的水平保持不变且处于基线水平，表明缺氧条件诱导了KL-la修饰的发生，而非KD-la或Kce。

为了进一步佐证，作者利用CRISPR/Cas9技术构建了乙二醛酶系统（MGO和D-LGSH的代谢中起关键作用）缺陷的HEK293T细胞。实验显示，乙二醛酶的缺失并未削弱细胞对缺氧的适应性，对应的HIF-1α和LDHA表达水平与野生型细胞相似。而且无论乙二醛酶的有无，缺氧处理前后的细胞KD-la和Kce水平均基本不变，说明在缺氧条件下，KL-la、KD-la和Kce的调控均不受乙二醛酶缺失的影响。这些证据进一步支持KL-la（而非KD-la或Kce）是缺氧响应的唯一修饰形式。

后续，作者利用乳酸脱氢酶A和B(LDHA和LDHB) 双敲除来消除L-乳酸的生成，观察体系修饰水平的变化。实验显示，LDHA和LDHB双敲除会显著降低缺氧条件下细胞增殖速率，而且会出现KL-la显著减少、KD-la和Kce显著增加的现象。作者认为双基因敲除可能将糖酵解流重定向至乙二醛酶途径，从而导致KD-la和Kce的升高。

根据上述实验结果，作者推断通过调控糖酵解和线粒体通路可以影响这些修饰在缺氧条件下的水平。因此，作者使用抑制糖酵解与线粒体呼吸通路不同节点的小分子化合物处理野生型MCF-7细胞，观察对KL-la、KD-la和Kce水平的影响。数据证实缺氧条件仅特异性诱导KL-la，且KL-la、KD-la和Kce的调控机制相互独立。

作者还通过药物干预调控缺氧诱导因子1α(HIF-1α)活性，观察其对乳酸化修饰的影响，发现HIF-1α会特异性调控KL-la，而不影响KD-la和Kce。通过对90组肺腺癌组织及癌旁正常组织（NATs）的免疫组化分析，作者发现KL-la与HIF-1α/LDHA表达呈正相关，KL-la升高与肺腺癌缺氧及恶性进展密切相关。

作者还对相关乳酸化过程进行了更加细致的研究：作者通过在位点特异性水平探究缺氧调控的组蛋白KL-la，绘制了缺氧调控的组蛋白乳酰化定量图谱，而且发现不同亚型的乳酸化/去乳酸化过程可能受不同机制驱动；通过使用p300/CREB结合蛋白（CBP）选择性抑制剂A485处理MCF-7细胞，发现p300/CBP是缺氧诱导KL-la的关键驱动因子，但并不是必要因子；通过在常氧与缺氧条件下，使用抗H3K18L-la抗体对MCF7细胞进行ChIP-Seq免疫沉淀测序，发现乳酸化位点H3K18L-la可以通过激活糖酵解基因及HIF通路参与缺氧诱导的基因调控。

综上所述，本研究系统揭示了基于KL-la的缺氧特异性的表观标记调控网络，为理解代谢-表观遗传相互作用提供了新范式，也为靶向乳酸化修饰的肿瘤治疗策略奠定了理论基础。此外，除L/D型乳酰化外，细胞内还存在大量被忽视的立体异构体翻译后修饰，可能对以往研究结论产生重大挑战。这一研究为揭示异构体修饰研究的重要性提供了新视角，推动了相关领域的深入探索。

本文共同第一作者高晋君博士现任职于北京大学深圳研究生院，任助理教授/特聘研究员，课题组长，博士生导师。高晋君博士毕业于北京大学前沿交叉学科研究院，导师为王初教授，博士期间发展了一系列创新的蛋白质组学方法，以提高（化学）蛋白质组学中的鉴定灵敏度和定量效率。随后在芝加哥大学进行博士后研究，合作导师为世界知名蛋白质组学专家赵英明教授，从事组蛋白翻译后修饰相关研究，期间工作为乳酰化研究领域奠定了重要基础。高晋君博士以（共同）第一作者在PNAS，Nature Chemical Biology，Science Advances，ACS Central Science等高水平杂志发表论文多篇，作为重要参与人在Nature, Nature Communications等杂志上合作发表论文十余篇。高晋君课题组将在化学生物学、蛋白质组学、蛋白质翻译后修饰、计算生物学和癌症生物学等多个交叉领域开展研究工作。课题组致力于开发AI驱动的创新蛋白质组学技术，并结合前沿的化学和分子生物学工具，探索肿瘤等疾病发病的功能机制，以识别疾病标志物，并发现新的治疗靶点和药物。课题组诚聘化学生物学、蛋白质组学、有机化学、药物化学、癌症生物学及相关方向的博士后2名（年薪不低于40万/年+校内公寓），有意者请联系高晋君博士gaojinjun@pku.edu.cn。此招聘长期有效，详细招聘信息请见课题组网站：

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本文作者：CHY