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Sci Adv（IF=13.6）｜華東理工大學程俠衛/趙玉政/楊弋團隊發現乳酸調控細胞自噬新機制！

自噬是一種進化上非常保守的由溶酶體介導的生物降解過程，對細胞內穩態具有重要的調控作用。自噬過程由復雜的分子網絡調控，包括UNC-51樣激酶1（ULK1）復合物、III類磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)復合物及多種自噬相關基因。此外，磷酸化、糖基化、泛素化、和乙酰化等在內的翻譯后修飾（PTMs）也介導自噬發生。最近的研究表明，乳酸可以驅動組蛋白和非組蛋白的賴氨酸乳酸化，是一種新的翻譯后修飾，并以糖酵解依賴的方式調節巨噬細胞、體細胞、癌細胞和腦細胞的基因表達和蛋白活性。然而，乳酸化是否參與調節自噬機制目前尚不清楚。

2023年6月，華東理工大學程俠衛/趙玉政/楊弋團隊在國際學術期刊Science Advances（IF 13.6）發表題為“ULK1-mediatedmetabolic reprogramming regulates Vps34 lipid kinase activity by itslactylation”的文章。研究團隊發現ULK1通過磷酸化乳酸脫氫酶A（LDHA）促進乳酸產生，并進一步乳酸化Vps34激活其激酶活性，促進細胞自噬發生和內體-溶酶體降解途徑。文章闡明了糖酵解代謝產物乳酸調控細胞自噬的新機制，同時揭示了Vps34乳酸化在肌肉運動穩態和腫瘤進展中的作用。




研究方法和結果


1、ULK1誘導LDHA Ser196磷酸化并增強其酶活性
ULK1是參與自噬早期到晚期最關鍵的蛋白激酶，通過串聯親和純化、免疫沉淀及酵母雙雜等實驗，作者鑒定出ULK1與糖酵解關鍵酶LDHA存在相互作用，并且LDHA在S196位點被ULK1磷酸化，激活ULK1可增強LDHA S196的磷酸化，而抑制ULK1則降低LDHA S196的磷酸化。接著，作者檢測了磷酸化對LDHA酶活性的生物學效應，分析發現激活ULK1增加了胞質乳酸水平，而抑制ULK1則與之相反。此外，胞內乳酸水平在LDHA沉默時降低，并被LDHAWT和LDHAS196D的表達所恢復，而LDHAS196A表達未能恢復LDHA酶活性。這些結果表明ULK1介導LDHA的磷酸化并增強其酶活性。

圖1. ULK1誘導LDHA Ser196磷酸化

2、Vps34在K356和K781位點被乙酰轉移酶TIP60乳酸化
LDHA敲低可降低乳酸水平并抑制p62的降解，作者推測乳酸是否通過自噬蛋白的乳酸化來調節自噬。檢測發現在不同的自噬階段存在多個乳酸化的自噬蛋白(Vps34、ULK1、UVRAG等)，表明乳酸化在自噬調節中發揮了重要作用。由于III類PI3K Vps34是自噬和內吞分選的關鍵調節因子，作者對Vps34進行了重點研究，分析數據顯示Vps34的K356和 K781位點發生乳酸化。通過構建乙酰轉移酶shRNA文庫，以及共免疫沉淀和抗泛乳酸化抗體Western blotting檢測Vps34的乳酸化水平，多項數據證實乙酰轉移酶TIP60介導Vps34的乳酸化。進一步的研究表明乳酸化通過增強Vps34與Beclin1、ATG14L和UVRAG的相互作用促進Vps34脂質激酶活性。
圖2. Vps34在K356和K781位點被乙酰轉移酶TIP60乳酸化

3、Vps34的乳酸化促進自噬通量及內體-溶酶體降解
Vps34在自噬體形成和成熟過程中起重要作用，作者分析了Vps34乳酸化對自噬通量的影響。Vps342KR（乳酸化突變體）部分抑制了p62的降解；Vps34敲低的HEK293T細胞中GFP-LC3的切割被抑制，自噬泡數量減少，Vps34WT表達促進了GFP-LC3的切割并逆轉了自噬泡數量的減少，而Vps342KR僅部分逆轉上述作用。此外，Vps34沉默在很大程度上阻斷了自噬體的成熟，Vps34WT表達的恢復挽救了U2OS細胞的自噬體成熟，而Vps342KR部分逆轉了這一作用。這些結果表明Vps34的乳酸化促進自噬體形成和成熟。不僅如此，Vps34的乳酸化促進內體-溶酶體降解，Vps34乳酸化位點的突變會破壞其生物學功能，導致溶酶體降解不足。
圖3. Vps34的乳酸化促進自噬體的形成和成熟

4、Vps34的乳酸化在骨骼肌穩態和腫瘤進展中起重要作用
自噬通過消除異常線粒體和內含體在維持骨骼肌穩態中起關鍵作用。通過強迫游泳實驗評估Vps34乳酸化的生理功能，作者發現小鼠肌肉劇烈運動誘導AMPKα(Thr172)、總mTOR、ULK1 (Ser555)、LDHA (Ser196)的上調并產生大量乳酸，同時誘導細胞自噬，促進Vps34的乳酸化，增加PtdIns(3)P水平，接著，作者將對照病毒、rAAV-Vps34WT或rAAV-Vps342KR注入小鼠骨骼肌，4周后進行急性游泳運動，結果表明，Vps34WT的給藥增強了肌肉自噬水平，而給藥Vps342KR使肌肉自噬水平部分受損。這些結果表明，Vps34的乳酸化是骨骼肌細胞自噬和細胞穩態所必需的。此外，Vps34的乳酸化調節腫瘤組織的自噬活性，并與癌癥進展相關。
圖4. Vps34的乳酸化在骨骼肌穩態中起重要作用


小結

本研究表明絲氨酸/蘇氨酸激酶ULK1通過在S196位點磷酸化LDHA調節糖酵解途徑，從而增強LDHA活性并促進乳酸的產生。乳酸介導的Vps34乳酸化促進其脂質激酶活性，并進一步促進細胞自噬和內體-溶酶體降解途徑，Vps34乳酸化通過調節細胞自噬在骨骼肌穩態和腫瘤進展過程中起關鍵作用。該研究成果將糖酵解調控途徑和細胞自噬調控途徑有效整合，闡明了高等哺乳動物細胞自噬調控的多元化和復雜性。

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