苏州大学首登 Cell,揭示乳酸化调控肿瘤真相:p53 功能丧失背后的「...

作者：丁香园肿瘤时间


导读
癌细胞的一个显著特征是即使在氧气充足的情况下，它们也偏好通过有氧糖酵解来获得能量，这一现象被称为「Warburg 效应」。癌细胞的代谢改变导致乳酸等糖酵解中间体的积累，这些乳酸不仅支持细胞增殖，还参与调节免疫细胞分化、肿瘤免疫监视等多种生物学过程。尽管目前已知乳酸可以共价修饰蛋白质，但是其乳酸化的具体机制尚不清楚。此外，p53 是一个关键的肿瘤抑制蛋白，作为转录因子，它通过激活控制 DNA 修复、细胞周期进程靶基因来保护细胞免受恶性转化。在肿瘤发生过程中，p53 的活性受到磷酸化、乙酰化和泛素化等翻译后修饰的调控，而目前对于 p53 与乳酸化之间的关联知之甚少。
2024 年 4 月 22  日，来自苏州大学的周芳芳研究团队，在 Cell 上在线发表题为「Alanyl tRNA synthetase, AARS1, is a lactate sensor and lactyltransferase that lactylates p53 and contributes to tumorigenesis」的研究论文，研究人员通过 CRISPR 筛选发现丙氨酰 tRNA 合成酶 1（AARS1）是细胞内的乳酸感受器，能够直接与乳酸结合，并催化 p53 的赖氨酸乳酸化。AARS1 在 p53 的 DNA 结合域中催化特定位点的乳酸化，这一修饰阻止了 p53 与含有 p53 响应元件的 DNA 结合，从而抑制了 p53 的液-液相分离（LLPS）和转录活性。此外，研究人员发现 β-丙氨酸能与乳酸竞争性结合 AARS1，增强了癌症化疗的效果。总体而言，本研究揭示了 AARS1 在肿瘤发展中的重要作用，特别是 p53 的乳酸化以及其对肿瘤抑制功能的潜在抑制作用，而 β-丙氨酸的发现也为开发新的癌症治疗策略提供了可能的途径。


图  1：相关研究（图源：Cell）
研究主要内容
1、肿瘤源性乳酸通过 AARS1 促进 p53 的乳酸化修饰
研究者在 TCGA 乳腺癌数据集中发现，在野生型 p53 的患者中，乳酸水平高的人 p53 信号通路评分较低，这表明肿瘤中的乳酸可能会抑制 p53 功能。在小鼠乳腺癌模型中，肿瘤乳酸水平在肿瘤发展过程中增加，并与肿瘤负荷呈正相关，且小鼠肿瘤内 p53 活性明显受到抑制。
为了找到负责 p53 乳酸化的蛋白质，研究人员进行了全基因组 CRISPR 筛选，其中 AARS1 被鉴定为最强的候选基因。在 AARS1 耗竭的肿瘤细胞中增殖、集落形成能力显著降低，并发现 AARS1 的耗竭抑制了乳酸诱导的赖氨酸乳酸化。β-丙氨酸在结构上类似于乳酸，用其预处理的细胞赖氨酸乳酸化减少，表明 β-丙氨酸可以有效拮抗 AARS1 介导的乳酸化过程。


图 2：全基因组 CRISPR 筛选确定 AARS1 是肿瘤细胞中赖氨酸乳酸化的介体（图源：Cell）
2、AARS1 以 ATP 依赖形式将乳酸转移至赖氨酸上的共价结合物
那么 AARS1 介导的潜在机制是什么呢？研究人员发现 AARS1 能够直接与乳酸结合，并在 ATP 存在的条件下促进赖氨酸乳酸化。通过质谱分析发现 AARS1 可以利用其保守的活性位点残基与乳酸形成直接接触，并且这种结合能够被结构相似的 β-丙氨酸所抑制。AARS1 通过 ATP 依赖的方式催化形成乳酸-AMP 中间体，随后将乳酸转移至目标蛋白的赖氨酸残基上，实现共价结合。这一过程不仅在人类中，也在大肠杆菌中观察到，表明 AARS1 在物种间具有催化赖氨酸乳酸化的古老功能。


图 3：AARS1 直接与乳酸结合并以 ATP 依赖性方式促进赖氨酸乳酸化（图源：Cell）
3、模拟乳酸化的 K120 和 K139 变体表现出 LLPS 降低和抑制肿瘤生长的能力
进一步的研究表明，p53 蛋白在特定赖氨酸位点（K120 和 K139）上的乳酸化会减弱其与 DNA 的结合能力，并干扰其液-液相分离（LLPS）过程，而这是 p53 执行肿瘤抑制功能的关键机制。由于乳酸化减弱了 p53 的 DNA 结合和 LLPS，导致 p53 在体外细胞实验和体内动物模型中的肿瘤抑制能力降低。此外，与疾病相关的 p53 变异体，如 K120N、K120Q、K120E 等，模拟了乳酸化的效果，同样展现出了降低的 LLPS 能力和减弱的肿瘤生长抑制作用，这进一步证实了 p53 乳酸化在肿瘤进展中的潜在作用。


图 4：疾病相关的 K120 和 K139 变体在模拟乳酸化后表现出抑制肿瘤生长的能力（图源：Cell）
4、β-丙氨酸可以拮抗 AARS1 介导的 p53 乳酸化来抑制肿瘤生长
既然 AARS1 通过乳酸化作用减弱 p53 的肿瘤抑制功能，从而促进肿瘤生长的机制，那么 β-丙氨酸作为乳酸的类似物，研究人员推断其可以有效地抑制 AARS1 的这一作用。具体来说，β-丙氨酸通过与 AARS1 竞争性结合，阻断了 p53 的乳酸化过程，进而恢复或增强了 p53 的抗肿瘤活性。在细胞实验和动物模型中，β-丙氨酸的处理减少了 p53 的乳酸化水平，并抑制了肿瘤细胞的增殖和肿瘤的生长。这一发现表明，β-丙氨酸可能成为一种新的抗癌策略，通过靶向 AARS1 来增强 p53 的功能，对抗肿瘤的发展。


图 5：AARS1 在肿瘤生长中介导 p53 乳酸化并可被 β-丙氨酸有效拮抗（图源：Cell）
总结
本研究确定了肿瘤来源的乳酸是 p53 的天然抑制剂，并筛选出 AARS1 是细胞内乳酸传感器和乳酸转移酶，介导赖氨酸乳酸化并靶向 p53。在 p53 的 DNA 结合结构域中特定赖氨酸残基的乳酸化削弱了它们的 DNA 结合和 LLPS，从而降低了 p53 在体内外的肿瘤抑制作用。这些研究扩展了蛋白质乳酸化方面的知识，并揭示了代谢物乳酸与肿瘤发生和进展之间的直接相互作用。
作者简介
周芳芳
2008 年毕业于清华大学生物科学与技术系并获博士学位。2008-2013 年在荷兰莱顿大学医学中心先后任职博士后、研究员。2013-2014 年在荷兰莱顿大学医学中心任研究助理教授。2014 年 10 月受聘苏州大学生物医学研究院特聘教授及博士生导师。周芳芳实验室致力于固有免疫响应的分子机制研究，取得了多项科研成果。独立开展工作后以通讯或共同通讯在国内外期刊如 Nature Immunology（2017, 2018, 2022）、Nature Cell Biology（2012, 2021）等发表论文 70 余篇。

参考资料：
[1] Zong z et al. Alanyl tRNA synthetase, AARS1, is a lactate sensor and lactyltransferase that lactylates p53 and contributes to tumorigenesis. 2024 April 22.

图片来源：图虫创意首发：丁香学术
投稿合作：luoshuhan@dxy.cn