胃肠道癌症中蛋白质乳酸化修饰的分子动态研究：一项整合乳酸化组学分析

作者及机构
本研究由山东大学基础医学院细胞生物学系的Yangmiao Duan、Bohao Li和Guangwei Wei团队主导，联合齐鲁医院胰腺外科的Hanxiang Zhan、Xin Gao和Zhenya Liu等共同完成，发表于*Advanced Science*期刊（2024年7月）。

学术背景

研究领域与动机
胃肠道（GI）癌症占全球癌症发病率的26%和死亡率的35%，但其靶向治疗选择有限。近年来，代谢重编程（metabolic reprogramming）被认为是癌症的核心特征之一，其中肿瘤细胞依赖糖酵解产生大量乳酸。2019年，组蛋白乳酸化修饰（lysine lactylation, Kla）的发现揭示了乳酸作为代谢中间体参与表观遗传调控的新机制。然而，Kla在GI癌症中的全局特征、分子动态及功能机制尚未系统解析。

研究目标
本研究旨在通过整合乳酸化组学（lactylome）和蛋白质组学分析，绘制GI癌症中Kla修饰的全景图谱，揭示其与肿瘤进展的关联，并探索关键修饰位点的功能机制。

研究流程与方法

1. 样本与数据采集
- 研究对象：40例GI癌症患者（肝、胰、结直肠、胃癌各10例）的癌组织与癌旁组织（NATs）。
- 技术平台：采用无标记定量（label-free quantification）液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术，同步分析蛋白质组和乳酸化修饰组。
- 质量控制：通过严格的质控标准（如MS系统一致性、重复性分析）确保数据可靠性。

2. 乳酸化修饰特征分析
- 修饰位点鉴定：共鉴定到11,698个Kla位点（覆盖3,156种蛋白质），其中6,260个位点位于肝癌组织，8,100个位于结直肠癌组织。
- 修饰偏好性：通过Motif-X算法发现Kla位点偏好被丙氨酸（A）、赖氨酸（K）等氨基酸包围，且肿瘤组织中Kla修饰丰度显著高于NATs（p<0.0001）。
- 亚细胞定位：Kla修饰蛋白主要富集于细胞核（如染色质结合蛋白）和细胞质（如代谢酶）。

3. 功能与通路富集
- 癌症标志通路：Kla修饰蛋白显著富集于表观遗传重编程（epigenetic rewiring）、代谢扰动（如糖酵解、脂肪酸代谢）和基因组不稳定性相关通路。
- 临床关联性：发现401个Kla位点与肿瘤直径>5 cm显著相关（如CBX3 K10la），提示其作为侵袭性标志物的潜力。

4. 组蛋白乳酸化调控
- 组蛋白修饰特征：鉴定到127个组蛋白Kla位点（如H1.0 K82），其中15个在肿瘤中显著上调。
- 调控机制：组蛋白乳酸化水平与乙酰转移酶（如BRD2）正相关，与去乙酰化酶（如SIRT3）负相关，表明乳酸化与乙酰化存在交叉调控。

5. 关键靶点CBX3的功能验证
- 分子机制：CBX3的K10乳酸化（CBX3 K10la）在GI癌症中显著上调，并通过分子动力学模拟证实其促进CBX3与H3K9me3的结合，增强染色质沉默。
- 体内外实验：CRISPR-Cas9敲除CBX3或突变K10位点（K10R）可抑制肿瘤增殖（p<0.01），裸鼠成瘤实验进一步验证其促癌功能。

主要结果与逻辑链条

1. 全景图谱构建：通过大规模乳酸化组学分析，首次揭示GI癌症中Kla修饰的广泛性和组织特异性，为后续功能研究提供数据基础。
   
2. 代谢-表观关联：Kla修饰富集于代谢通路（如糖酵解），直接连接乳酸积累与表观调控，解释了肿瘤代谢重编程的分子效应。
   
3. CBX3的机制解析：从修饰位点（K10la）到功能（染色质重塑）的完整证据链，阐明乳酸化如何通过CBX3驱动基因沉默和肿瘤进展。
   

结论与价值

科学意义
- 系统性绘制GI癌症乳酸化修饰图谱，填补了代谢修饰与表观遗传交叉研究的空白。
- 提出CBX3 K10la作为新型治疗靶点，为GI癌症的精准干预提供理论依据。

应用前景
- 基于Kla的分子分型可能改善GI癌症的预后预测。
- 靶向乳酸化修饰酶（如BRD2）或CBX3的小分子药物开发具有临床转化潜力。

研究亮点

1. 技术创新：首次整合多癌种乳酸化组学与临床病理特征，建立Kla修饰的“动态-功能”关联模型。
   
2. 发现新颖性：揭示CBX3 K10la通过H3K9me3结合促进肿瘤发生的全新机制。
   
3. 跨学科价值：融合代谢组学、表观遗传学和结构生物学方法，推动癌症研究的范式革新。
   

其他价值
- 公开数据集（如Kla位点谱）可作为后续研究的参考。
- 开发的抗CBX3 K10la抗体为相关检测提供工具。

（注：全文数据详见*Advanced Science*原文及附表S1-S9。）