Sci Adv（IF=13.6）｜華東理工大學(xué)程俠衛(wèi)/趙玉政/楊弋團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)乳酸調(diào)控細(xì)胞自噬新機(jī)制！
自噬是一種進(jìn)化上非常保守的由溶酶體介導(dǎo)的生物降解過程，對細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)具有重要的調(diào)控作用。自噬過程由復(fù)雜的分子網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，包括UNC-51樣激酶1（ULK1）復(fù)合物、III類磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)復(fù)合物及多種自噬相關(guān)基因。此外，磷酸化、糖基化、泛素化、和乙酰化等在內(nèi)的翻譯后修飾（PTMs）也介導(dǎo)自噬發(fā)生。最近的研究表明，乳酸可以驅(qū)動(dòng)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(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞、體細(xì)胞、癌細(xì)胞和腦細(xì)胞的基因表達(dá)和蛋白活性。然而，乳酸化是否參與調(diào)節(jié)自噬機(jī)制目前尚不清楚。
2023年6月，華東理工大學(xué)程俠衛(wèi)/趙玉政/楊弋團(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊Science Advances（IF 13.6）發(fā)表題為“ULK1-mediatedmetabolic reprogramming regulates Vps34 lipid kinase activity by itslactylation”的文章。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)ULK1通過磷酸化乳酸脫氫酶A（LDHA）促進(jìn)乳酸產(chǎn)生，并進(jìn)一步乳酸化Vps34激活其激酶活性，促進(jìn)細(xì)胞自噬發(fā)生和內(nèi)體-溶酶體降解途徑。文章闡明了糖酵解代謝產(chǎn)物乳酸調(diào)控細(xì)胞自噬的新機(jī)制，同時(shí)揭示了Vps34乳酸化在肌肉運(yùn)動(dòng)穩(wěn)態(tài)和腫瘤進(jìn)展中的作用。
研究方法和結(jié)果
1、ULK1誘導(dǎo)LDHA Ser196磷酸化并增強(qiáng)其酶活性
ULK1是參與自噬早期到晚期最關(guān)鍵的蛋白激酶，通過串聯(lián)親和純化、免疫沉淀及酵母雙雜等實(shí)驗(yàn)，作者鑒定出ULK1與糖酵解關(guān)鍵酶LDHA存在相互作用，并且LDHA在S196位點(diǎn)被ULK1磷酸化，激活ULK1可增強(qiáng)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(xué)效應(yīng)，分析發(fā)現(xiàn)激活ULK1增加了胞質(zhì)乳酸水平，而抑制ULK1則與之相反。此外，胞內(nèi)乳酸水平在LDHA沉默時(shí)降低，并被LDHAWT和LDHAS196D的表達(dá)所恢復(fù)，而LDHAS196A表達(dá)未能恢復(fù)LDHA酶活性。這些結(jié)果表明ULK1介導(dǎo)LDHA的磷酸化并增強(qiáng)其酶活性。
圖1. ULK1誘導(dǎo)LDHA Ser196磷酸化
2、Vps34在K356和K781位點(diǎn)被乙酰轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)自噬。檢測發(fā)現(xiàn)在不同的自噬階段存在多個(gè)乳酸化的自噬蛋白(Vps34、ULK1、UVRAG等)，表明乳酸化在自噬調(diào)節(jié)中發(fā)揮了重要作用。由于III類PI3K Vps34是自噬和內(nèi)吞分選的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，作者對Vps34進(jìn)行了重點(diǎn)研究，分析數(shù)據(jù)顯示Vps34的K356和 K781位點(diǎn)發(fā)生乳酸化。通過構(gòu)建乙酰轉(zhuǎn)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(xiàng)數(shù)據(jù)證實(shí)乙酰轉(zhuǎn)移酶TIP60介導(dǎo)Vps34的乳酸化。進(jìn)一步的研究表明乳酸化通過增強(qiáng)Vps34與Beclin1、ATG14L和UVRAG的相互作用促進(jìn)Vps34脂質(zhì)激酶活性。
圖2. Vps34在K356和K781位點(diǎn)被乙酰轉(zhuǎn)移酶TIP60乳酸化
3、Vps34的乳酸化促進(jìn)自噬通量及內(nèi)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(xì)胞中GFP-LC3的切割被抑制，自噬泡數(shù)量減少，Vps34WT表達(dá)促進(jìn)了GFP-LC3的切割并逆轉(zhuǎn)了自噬泡數(shù)量的減少，而Vps342KR僅部分逆轉(zhuǎn)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(dá)的恢復(fù)挽救了U2OS細(xì)胞的自噬體成熟，而Vps342KR部分逆轉(zhuǎn)了這一作用。這些結(jié)果表明Vps34的乳酸化促進(jìn)自噬體形成和成熟。不僅如此，Vps34的乳酸化促進(jìn)內(nèi)體-溶酶體降解，Vps34乳酸化位點(diǎn)的突變會(huì)破壞其生物學(xué)功能，導(dǎo)致溶酶體降解不足。
圖3. Vps34的乳酸化促進(jìn)自噬體的形成和成熟
4、Vps34的乳酸化在骨骼肌穩(wěn)態(tài)和腫瘤進(jìn)展中起重要作用
自噬通過消除異常線粒體和內(nèi)含體在維持骨骼肌穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用。通過強(qiáng)迫游泳實(shí)驗(yàn)評估Vps34乳酸化的生理功能，作者發(fā)現(xiàn)小鼠肌肉劇烈運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)AMPKα(Thr172)、總mTOR、ULK1 (Ser555)、LDHA (Ser196)的上調(diào)并產(chǎn)生大量乳酸，同時(shí)誘導(dǎo)細(xì)胞自噬，促進(jìn)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(jìn)行急性游泳運(yùn)動(dòng)，結(jié)果表明，Vps34WT的給藥增強(qiáng)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(jié)果表明，Vps34的乳酸化是骨骼肌細(xì)胞自噬和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)所必需的。此外，Vps34的乳酸化調(diào)節(jié)腫瘤組織的自噬活性，并與癌癥進(jìn)展相關(guān)。
圖4. Vps34的乳酸化在骨骼肌穩(wěn)態(tài)中起重要作用
小結(jié)
本研究表明絲氨酸/蘇氨酸激酶ULK1通過在S196位點(diǎn)磷酸化LDHA調(diào)節(jié)糖酵解途徑，從而增強(qiáng)LDHA活性并促進(jìn)乳酸的產(chǎn)生。乳酸介導(dǎo)的Vps34乳酸化促進(jìn)其脂質(zhì)激酶活性，并進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞自噬和內(nèi)體-溶酶體降解途徑，Vps34乳酸化通過調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬在骨骼肌穩(wěn)態(tài)和腫瘤進(jìn)展過程中起關(guān)鍵作用。該研究成果將糖酵解調(diào)控途徑和細(xì)胞自噬調(diào)控途徑有效整合，闡明了高等哺乳動(dòng)物細(xì)胞自噬調(diào)控的多元化和復(fù)雜性。
