第一次揭示糖酵解與組蛋白乳酸化在胰腺導管腺癌進展中的作用關系

北京大學第三醫院在Molecular Cancer雜志發表的題為“Positive feedback regulation between glycolysis and histone lactylation drives oncogenesis in pancreatic ductal adenocarcinoma"的文獻。

胰腺癌是一種高度侵襲性的消化系統腫瘤，是人類最致命的惡性腫瘤，胰腺導管腺癌（PDAC）占胰腺導管腺癌的80%以上。代謝重編程和表觀遺傳改變誘導PDAC的侵襲性。乳酸依賴性組蛋白修飾是一種新型的組蛋白標記，該項研究深入探討了組蛋白乳酸化在PDAC進展中的作用，并通過H3K18la-TTK/BUB1B調控的表觀遺傳重編程將糖酵解和組蛋白乳酸化聯系起來，建立了糖酵解、組蛋白乳酸化和細胞周期基因的正反饋循環，增加了新的 PDAC機制，為PDAC的治療策略設計提供線索。

乳酸化修飾作為近年來的研究熱點，其在生物學領域的重要性逐漸凸顯。達為科生物基于多年腫瘤領域的研究經驗，緊抓乳酸化修飾研究熱點，圍繞乳酸化修飾可從課題設計、實驗規劃、實驗開展等提供多樣化的服務，為您的科研之路保駕護航。

乳酸化修飾是2019年芝加哥大學趙英明教授課題組在Nature雜志shou次報道的全新蛋白質翻譯后修飾類型(Ref:31645732; Nature; IF：69.5)，他shou次將組蛋白乳酸化修飾帶入我們的視野。該項研究表明：代謝過程中積累的乳酸可以作為前體物質導致組蛋白賴氨酸發生乳酸化修飾，進而調控基因的表達，并參與細菌感染的M1巨噬細胞的穩態調控。乳酸通過介導乳酸化修飾，調控基因表達來發揮腫瘤代謝、免疫等生物功能。該研究不僅為蛋白質的翻譯后修飾研究開辟新的領域，也為代謝產物乳酸在腫瘤、免疫等領域參與的研究提出了新方向。

Figure 1 研究機制圖

研究框架

研究目的

乳酸依賴性組蛋白修飾是一種新型的組蛋白標記，它將糖酵解代謝物與乳酸化修飾的表觀遺傳過程聯系起來。文章旨在討論組蛋白乳酸化PDAC進展中的作用。

研究方法

首先，通過Kaplan-Meier生存分析評估PDAC中組蛋白乳酸化水平和總生存期的關系。其次，在體內外通過抑制組蛋白乳酸化（糖酵解抑制劑或乳酸脫氫酶A - LDHA 敲低）驗證組蛋白乳酸化參與PDAC的進展。隨后，通過免疫印記及功能實驗鑒定PDAC中組蛋白乳酸化的writers和erasers，通過CUT&Tag和RNA-seq篩選得到H3K18，隨后通過ChIP-qPCR，RT-qPCR和western blot 確定下游靶標基因TTK和BUB1B。后續通過過表達或基因敲低驗證TTK和BUB1B在PDAC進展中的作用。最后通過Co-IP驗證TTK與LDHA的相互作用，形成研究閉環。

實驗動物作為生命科學研究中的重要載體之一，在很多領域的科學研究中，充當著非常重要的安全試驗、效果試驗、標準試驗的角色，尤其在藥物有效性和安全性評價中發揮著不可huo缺的作用。

達為科生物投資建立的動物實驗中心，擁有清潔級、SPF級動物實驗室，面積約1800平米，中心員工包括獸醫、技術員和動物飼養員，所有員工擁有實驗動物上崗證，有著深厚的專業背景和豐富的實驗操作經驗，可獨立開展包括大小鼠、裸鼠、豚鼠、兔、比格犬、羊、小型豬等常見實驗動物的動物飼養、造模及相關實驗。

研究結果

組蛋白乳酸化水平在PDAC中升高，H3K18乳酸化（H3K18la）水平升高與PDAC不良預后相關。糖酵解活性的抑制是PDAC體內外抗腫瘤作用的重要機制。E1A結合蛋白p300和組蛋白去乙?；?/span>2分別是PDAC細胞中組蛋白乳酸化的潛在writers和erasers。同時，H3K18la在TTK和BUB1B啟動子處富集并促進的轉錄。此外，TTK和BUB1B可以提高P300的表達，從而增加糖酵解。另外TTK通過磷酸化LDHA Y239位點激活LDHA并進一步促進乳酸產生和H3K18乳酸化。

研究結論

糖酵解- H3K18la - TTK/BUB1B正反饋循環促進PDAC惡化。這些研究結果對乳酸代謝重編程與表觀遺傳調控之間的相互關系進行了新的探索，可能為PDAC治療中新的乳酸化治療策略提供依據。

結果解析

PDAC患者組蛋白乳酸化水平升高與不良預后相關

研究團隊首先分析了PDAC組織及配對正常組織、PDAC細胞系MIA PaCa-2，PANC-1，AsPC-1，PL45及人胰腺導管上皮細胞系hTERT-HPNE中乳酸的水平，發現PDAC組織/細胞系中的乳酸水平上調。在PDAC患者和健康組的血清樣本的非靶向代謝組學分析和KEGG富集分析表明血清差異代謝物富集在中心碳代謝途徑。對PDAC組織及配對正常組織中蛋白乳酸化水平的檢測發現PDAC組織中泛賴氨酸乳酸化，其中包括H3K18la。此外，PDAC中H3K18la水平明顯上調并與晚期AJCC呈正相關。

糖酵解抑制減少組蛋白乳酸化并抑制PDAC細胞增殖和遷移

為了明確糖酵解對組蛋白乳酸化的影響，研究團隊使用不同的糖酵解抑制劑和LDHA敲低干預PDAC細胞，發現抑制劑干預減少泛賴氨酸乳酸化和H3K18la，而siLDHA減少乳酸鈉誘導的組蛋白乳酸化水平。此外，糖酵解抑制劑顯著抑制PDAC細胞活力和集落形成能力。siLDHA抑制PDAC細胞增殖和集落形成，但其作用被乳酸鈉處理削弱。另外，傷口愈合實驗和transwell實驗發現PDAC細胞的遷移能力表現出與增殖相同的趨勢。

糖酵解抑制減少組蛋白乳酸化并抑制PDAC異種移植小鼠模型中的PDAC進展

為了進一步評價組蛋白乳酸化在PDAC進展中的生物學意義，研究團隊進一步構建PDAC異種移植小鼠模型。結果發現在糖酵解抑制劑干預后或使用LDHA敲減穩轉株構建動物模型后，腫瘤的生長、乳酸含量、泛賴氨酸乳酸化、H3K18la、KI67表達及肝轉移灶形成受到顯著抑制。

P300和HDAC2分別是PDAC細胞中組蛋白乳酸化的潛在writer和eraser

隨后，研究團隊使用si-P300或P300抑制C646處理MIA PaCa-2細胞及AsPC-1細胞，發現在乳酸鈉暴露條件下，si-P300 或 C646仍能顯著抑制泛賴氨酸乳酸化和H3K18la水平。此外，si-P300 或 C646可以顯著降低細胞增殖活力、集落形成能力以及細胞遷移能力。另外，乳酸鈉誘導的細胞遷移作用被si-P300 或 C646干預抑制。

H3K18la激活TTK和BUB1B的轉錄

為確定H3K18la如何影響PDAC進展，研究團隊使用H3K18la抗體進行CUT&Tag檢測。發現在糖酵解抑制劑干預后，轉錄起始位點（TSS）區域明顯減少而在啟動子區域觀察到的富集。KEGG分析的結果表明RNA轉運途徑、細胞周期和腫瘤相關途徑存在相關富集。RNA-seq并對糖酵解抑制劑干預后下調的基因進行KEGG分析的結果發現主要富集在細胞周期相關過程中。

隨后，通過在CUT&Tag、RNA-seq和GEPIA數據庫中重疊基因集，確定了14個差異表達基因，這些基因在Oxamate處理后，mRNA水平顯著降低，并在啟動子區域表現出H3K18la富集的減少。最終篩選得到周期相關的TTK和BUB1B基因，并通過ChIP-qPCR進一步驗證H3K18la在TTK和BUB1B基因啟動子區域的富集，但在糖酵解抑制劑干預后基因啟動子區域的富集減少。

高水平的TTK和BUB1B與PDAC的惡性表型相關

隨后，研究團隊探索了TTK和BUB1B在PDAC進展中的作用。首先，PDAC細胞系中TTK和BUB1B的mRNA和蛋白水平顯著高于人胰腺導管上皮細胞系。

其次，IHC分析顯示，與癌旁組織相比，PDAC組織中TTK和BUB1B的表達顯著增加。TTK或BUB1B高表達PDAC患者的總生存時間或無病生存時間比低表達者短。此外，TTK或BUB1B的敲低抑制PDAC細胞的增殖和遷移，而TTK過表達與糖酵解抑制劑共處理減弱了糖酵解抑制劑對腫瘤細胞生長和遷移的抑制作用。

H3K18la靶基因與糖酵解之間的正反饋循環

在已報到的文章中，BUB1B作為糖酵解代謝的激活劑促進肺腺癌的發生。因此，研究團隊推測在PDAC進展中BUB1B具有同樣的功能并進一步通過實驗證實。研究結果表明siTTK與siBUB1B單獨或共處理均顯著下調P300蛋白水平。

隨后，進一步通過Co-IP實驗發現結合LDHA抗體的IP 和結合TTK 抗體的western blot證實了TTK和 LDHA在PDAC細胞中存在相互作用。敲低TTK顯著抑制LDHA Y239位點的磷酸化水平并下調LDH活力，減少乳酸生成，降低了泛酪氨酸乳酸化和H3K18la的水平。這些結果表明TTK在糖酵解和乳酸化之間起正反饋調控作用，并證實H3K18la/TTK/BUB1B與糖酵解/乳酸化之間的正反饋循環調控模式。

研究總結：

研究者shou次發現TTK敲低通過Y239磷酸化抑制LDHA的激活。建立了糖酵解、組蛋白乳酸化和細胞周期相關基因的正反饋循環。乳酸通過組蛋白乳酸化，特別是H3K18la促進細胞增殖和遷移，而這一過程是由TTK和BUB1B介導的，進而促進糖酵解，增加乳酸化，誘導PDAC惡性表型。研究為代謝重編程表觀遺傳調控提供了新的探索和重要補充，為理解PDAC的進展機制提供新的思路，也為PDAC的治療提供了新的線索。