关于“脓毒症诱导的急性肺损伤中组蛋白H3K18和EGR1的乳酸化修饰促进内皮糖萼降解”的学术报告

主要作者及发表信息

本研究由安徽医科大学第一附属医院呼吸与危重症医学科的Zongqing Lu、Pu Fang、Shuai Li、Jingjing Zhang、Xianghui Wu、Gengyun Sun和Qinghai You，以及安徽医科大学第二附属医院呼吸与危重症医学科的Lin Fu等多位研究人员共同完成。通讯作者为Lin Fu、Gengyun Sun和Qinghai You。该研究成果作为一篇研究论文，于2025年发表在《Advanced Science》期刊上。

研究背景

脓毒症（sepsis）是重症监护病房中致死率极高的一种疾病，其定义是宿主对感染的失调反应导致的致命性器官功能障碍。脓毒症最常见的严重并发症是急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS），而微循环功能障碍和血管通透性增加是脓毒症相关急性肺损伤（sepsis-induced acute lung injury, s-ali）的显著特征。血管内皮表面的糖萼（glycocalyx）层是维持肺微血管选择性渗透屏障的关键结构，其降解程度与肺损伤严重度及患者预后密切相关。在脓毒症期间，细胞的葡萄糖代谢发生重编程，有氧糖酵解增强，导致大量乳酸（lactate）生成。循环乳酸不仅是脓毒症严重程度和预后的关键生物标志物，也是重要的信号分子。虽然一种称为乙酰肝素酶（heparanase, HPSE）的酶是糖萼降解的主要执行者，但乳酸是否直接驱动糖萼降解及其具体分子机制尚不明确。此外，一种名为乳酸化（lactylation）的新型蛋白质翻译后修饰被发现能够调控基因表达和蛋白质功能，但其是否参与s-ali的病理过程仍是未知。本研究旨在探究升高的乳酸是否及如何通过乳酸化修饰促进s-ali中的糖萼降解和肺损伤。

研究流程与主要结果

研究团队首先利用临床数据库和样本进行了回顾性分析。通过分析MIMIC-IV数据库中的万余例脓毒症患者数据，他们发现初始血乳酸水平是脓毒症患者发生ARDS、需要有创机械通气和ICU死亡的独立危险因素，且乳酸水平与患者的氧合指数等指标显著相关。同时，在s-ARDS患者的血清中，糖萼脱落成分HSPG2和Syndecan-1的水平及HPSE的含量与活性均显著高于健康人群，并与血乳酸水平呈正相关。这些临床数据初步证实了乳酸、HPSE与糖萼降解之间的关联。

接着，为了验证乳酸在体内的致病作用，研究人员构建了小鼠盲肠结扎穿孔（cecal ligation and puncture, CLP）脓毒症模型。结果显示，CLP术后小鼠血清和肺组织中的乳酸水平显著升高，伴随糖酵解关键酶表达上调。通过补充外源性乳酸或使用乳酸生成抑制剂草氨酸钠（sodium oxamate, OXA）干预，证实了乳酸补充会加剧脓毒症小鼠的肺组织损伤、增加肺血管通透性、促进支气管肺泡灌洗液中的炎症细胞聚集并降低生存率；反之，抑制乳酸产生则能起到保护作用。通过扫描电子显微镜、免疫荧光和蛋白印迹等检测，体内实验直接证明乳酸加剧了脓毒症小鼠肺血管表面糖萼结构的脱落和降解。

在体外机制探索中，研究人员分离并培养了小鼠肺微血管内皮细胞（mouse pulmonary microvascular endothelial cells, MPMVECs）。实验发现，乳酸处理能够直接增加MPMVEC单层的通透性，并以剂量和时间依赖的方式降低糖萼核心蛋白HSPG2和Syndecan-1的蛋白水平。转录组测序和生物信息学分析提示乳酸的影响涉及糖胺聚糖结合和蛋白聚糖代谢过程。进一步的筛选证实，乳酸主要通过显著上调HPSE的表达和活性来促进糖萼降解，而用小干扰RNA沉默HPSE则可抵消乳酸的这一效应，明确了HPSE是乳酸作用的关键下游分子。

随后，研究深入到乳酸调控HPSE表达的上游分子机制。鉴于乳酸可介导乳酸化修饰，研究者发现脓毒症小鼠肺组织和乳酸处理的MPMVECs中泛乳酸化水平及组蛋白H3第18位赖氨酸乳酸化（h3k18la）水平均显著升高。通过染色质免疫共沉淀测序（CUT&Tag）和RNA测序联合分析，研究团队筛选出早期生长反应因子1（Early growth response 1, EGR1）作为h3k18la的关键下游靶基因。实验证实，h3k18la直接富集在EGR1基因的启动子区并激活其转录。干扰乳酸信号、抑制乳酸化修饰或突变H3的K18位点均能抑制EGR1的上调。后续通过基因敲低和过表达实验，证明EGR1作为转录因子，是连接h3k18la与HPSE表达上调的核心桥梁。

研究进而揭示了EGR1蛋白本身的乳酸化修饰对其功能至关重要。通过液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）分析，研究鉴定出EGR1的主要乳酸化位点为K364。在乳酸刺激下，EGR1的K364乳酸化修饰显著增强，这一修饰促进了EGR1与入核载体蛋白Importin-α的结合，从而引导EGR1发生核转位，进入细胞核内发挥其转录调控功能。将K364位点突变后，EGR1与Importin-α的结合力减弱，核定位减少，在HPSE启动子区的富集也显著下降。

最后，研究团队鉴定了催化EGR1乳酸化的关键酶。通过免疫共沉淀联合质谱分析，他们发现赖氨酸乙酰转移酶2B（KAT2B）是与EGR1相互作用的主要蛋白。实验证明，是KAT2B，而非另一种乙酰转移酶CBP，负责介导EGR1的乳酸化。KAT2B的GNAT结构域是其发挥乳酸转移酶功能的核心区域，该结构域可直接与EGR1结合，并以乳酰辅酶A为底物，将乳酰基团转移至EGR1的K364位点。体内动物实验进一步验证，在EGR1基因敲除的小鼠中，CLP诱导的糖萼降解、肺血管通透性增加、肺部炎症和肺损伤均得到显著缓解，7天生存率也大幅提升，最终证实了EGR1在脓毒症肺损伤中的关键致病作用。

研究结论与价值

本研究揭示了脓毒症急性肺损伤的一个创新性病理机制，即代谢重编程与表观遗传修饰之间的交互作用（crosstalk）驱动了内皮功能障碍。具体而言，脓毒症期间，增强的糖酵解产生的过量乳酸，一方面增加了h3k18la水平，从而启动EGR1基因的转录表达；另一方面，通过新发现的乳酰转移酶KAT2B，直接介导EGR1蛋白在K364位点的乳酸化，促使其与Importin-α结合并入核。这两条路径协同作用，显著上调了乙酰肝素酶的表达，最终导致肺微血管内皮糖萼屏障的降解和急性肺损伤的恶化。该研究不仅深化了对脓毒症病理生理过程的理解，也为临床治疗提供了新思路。

研究亮点

本研究的亮点主要体现在三个层面。第一，重要的机制发现：首次阐明了乳酸如何通过双重模式——即组蛋白乳酸化激活EGR1转录与非组蛋白乳酸化促进EGR1核定位——协同调控HPSE表达和糖萼降解的全新信号通路。第二，方法学上的新鉴定：鉴定出KAT2B是一种全新的乳酰转移酶，并证明了其GNAT结构域能以乳酰辅酶A为底物直接催化底物蛋白乳酸化，扩展了我们对乳酸化修饰书写酶（writer）的认知。第三，确凿的靶点价值：通过基因敲除动物模型，明确验证了EGR1作为治疗靶点，其在干预后可有效减轻脓毒症肺损伤并改善生存结局，为开发靶向糖萼保护的治疗策略提供了重要的理论依据。