想了解细胞产品及试剂相关内容,请点击这里进入OriCell网站
  • 代谢及心血管疾病模型
  • 大小鼠繁育与健康管理海报

Cell(IF=45.5):苏州大学团队揭示乳酸化如何促进肿瘤发生

众所周知,代谢异常是癌症的一大特征。即使在氧气充足的情况下,大多数癌细胞也会沉迷于有氧糖酵解。这种被称为“Warburg效应”的代谢改变导致乳酸等糖酵解中间产物升高,以支持细胞增殖。

 

有证据表明,乳酸参与调节多个生物过程,如免疫细胞分化、肿瘤免疫监视、纤维化等,并通过乳酸化(lactylation)的表观遗传修饰调节基因表达。尽管乳酸可以对蛋白质进行共价修饰,但细胞内乳酸如何被检测到并转化为乳酸化,具体机制仍不清楚。

 

近日,苏州大学生物医学研究院周芳芳教授领导的研究团队发现,AARS1作为乳酸感知器介导肿瘤细胞中的全局赖氨酸乳酸化。p53蛋白中特定赖氨酸残基的乳酸化会降低p53的肿瘤抑制作用。这项研究成果于2024年4月发表在顶级期刊《Cell》上,帮助人们更好地了解乳酸化与肿瘤发生之间的关系。

 

苏州大学团队揭示乳酸化如何促进肿瘤发生

图片来源:《Cell》

https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.04.002

 

研究材料与方法

在这项研究中,研究人员将MMTV-PyMT/MMTV-Cre+小鼠分别与赛业生物提供的Ldhafl/fl小鼠和Aarsfl/fl小鼠杂交,以生成条件性基因敲除小鼠。他们开展了全基因组CRISPR筛选,以鉴定负责乳酸化的蛋白质,并通过分子对接和质谱分析等数据,确定了AARS1与乳酸或p53的相互作用。

 

技术路线

01 通过乳腺癌数据集和小鼠模型来评估乳酸与p53之间的关系

02 通过CRISPR筛选确定AARS1介导赖氨酸乳酸化,且功能保守

03 利用相互作用和突变体分析AARS1介导乳酸化的具体机制

04 测试β-丙氨酸是否能抑制乳酸与AARS1的结合以及肿瘤发生

 

研究结果

1 肿瘤来源的乳酸是p53的天然抑制剂

研究人员在评估TCGA乳腺癌数据集后发现,对于携带野生型p53的患者,血清乳酸水平高对应着p53信号通路评分明显较低,这表明肿瘤中的乳酸可能会抑制p53的功能。为了研究乳酸在体内的作用,他们在接种MMTV-PyMT肿瘤细胞的小鼠体内注射乳酸钠。结果表明注射乳酸钠会导致肿瘤更早形成,体积明显增大,且肿瘤内p53活性明显受到抑制。

 

乳酸脱氢酶A(LDHA)将丙酮酸转化为乳酸,其高表达与乳腺癌患者的生存率低有关。为此,研究人员将MMTV-PyMT/MMTV-Cre+小鼠与Ldhafl/fl小鼠(由赛业生物提供)杂交,造成动物乳腺上皮中Ldha的组成型缺失。值得注意的是,LDHA的缺失导致肿瘤形成延迟、肿瘤乳酸和肿瘤负荷降低,且p53活性增加。此外,阻断乳酸的产生可导致肿瘤细胞中p53靶基因的表达显著增加。这些结果表明,肿瘤来源的乳酸是p53的天然抑制剂,可促进p53乳酸化。

 

2 AARS1介导肿瘤细胞中的赖氨酸乳酸化

为了鉴定负责p53乳酸化的蛋白质,研究人员在HeLa细胞中开展了全基因组CRISPR筛选。在此次筛选中,丙氨酰tRNA合成酶1(AARS1)被确定为最强的候选基因(图1)。之后,他们分析了全局赖氨酸乳酸化组,发现AARS1敲降抑制了乳酸诱导的乳酸化组;相反,过表达AARS1则强烈加强了整体的赖氨酸乳酸化组,表明AARS1介导了细胞中的全局赖氨酸乳酸化。

 

AARS1在多个物种中是保守的,包括大肠杆菌。细菌对应酶EcAlaRS的过表达也加强了整体的赖氨酸乳酸化组(图1)。在比较人类HsAlaRS和细菌EcAlaRS后,他们发现两者的目标位点和蛋白质存在大规模重叠。根据这些结果,研究人员推测AARS1可能在催化赖氨酸乳酸化过程中发挥了古老的作用,从原核生物到哺乳动物,这种作用都是保守的。

 

苏州大学团队揭示乳酸化如何促进肿瘤发生

图1 全基因组CRISPR筛选确定AARS1介导了赖氨酸乳酸化[1]

 

3 AARS1在ATP存在的情况下促进赖氨酸乳酸化

那么,AARS1如何介导乳酸化呢?研究人员发现,EcAlaRS和HsAlaRS可直接与乳酸结合,以乳酸作为底物直接催化乳酸化。分子对接分析表明,HsAlaRS中的保守残基(M46、R77、N216和D239)和EcAlaRS中的保守残基(M43、R69、W170、N212和D235)与乳酸形成直接接触。不过,只有在乳酸和ATP同时存在的情况下,AARS1才会增强细胞裂解液中的赖氨酸乳酸化。

 

质谱数据表明,AARS1与p53相互作用;体外分析也表明,HsAlaRS和EcAlaRS直接与p53结合。p53蛋白的第120位赖氨酸(K120)和第139位赖氨酸(K139)被乳酸化(图2)。在体外,野生型的HsAlaRS和EcAlaRS(而不是乳酸或ATP结合缺陷突变体)在K120和K139处对p53进行乳酸化,这些反应可被β-丙氨酸抑制。

 

据此,研究人员提出:首先,AARS1中的乳酸被ATP分子激活,形成中间产物乳酸-AMP,并释放出无机焦磷酸(PPi);其次,活化的乳酸与赖氨酸受体端共价连接,并释放出AMP。与此相一致的是,在将乳酸和ATP与AARS1共同孵育后,他们检测到乳酸-AMP的形成和PPi的释放。因此,他们推断AARS1通过催化ATP依赖性的乳酸-AMP形成,将乳酸转移到目标蛋白的赖氨酸残基上(图2)。

 

苏州大学团队揭示乳酸化如何促进肿瘤发生

图2 AARS1催化ATP依赖性的乳酸与赖氨酸结合[1]

4 p53的位点特异性乳酸化会削弱其DNA结合能力

接下来,研究人员分析了位于DNA结合结构域的K120和K139的乳酸化如何抑制p53的活性。他们生成了p53变体,这种变体携带了组成型乳酸化的赖氨酸残基。与非乳酸化p53(p53NonLac)相比,p53Lac与含有p53应答元件的DNA(p53RE-DNA)的亲和力大大降低,这会抑制p53的液-液相分离(LLPS)和转录活性。体外和体内分析证实了这些结果,表明位点特异性的乳酸化会降低p53的肿瘤抑制作用。

 

之前的研究发现p53存在与癌症相关的突变热点,包括K120N、K120E、K139T、K139Q等。赖氨酸突变为天冬酰胺、苏氨酸、谷氨酰胺,尤其是谷氨酸,会降低其正电荷,并模拟相应赖氨酸残基的乳酸化。研究人员发现,这些突变体与p53RE-DNA的结合亲和力降低,尤其是K120E和K139E,而且突变体不能抑制细胞增殖、克隆形成和异种移植肿瘤生长,进一步证实了p53乳酸化在肿瘤进展中的潜在作用。

 

5 β-丙氨酸可拮抗AARS1介导的p53乳酸化

AARS1在许多肿瘤类型中的表达都升高,并与WT p53患者的生存率不佳有关。为此,研究人员将Aarsfl/fl小鼠(赛业生物提供)与MMTV-PyMT/MMTV-Cre+小鼠杂交,生成乳腺上皮细胞缺失AARS的小鼠,并评估AARS1表达减少的影响。与野生型小鼠相比,AARS1表达减少的小鼠患肿瘤的时间更晚,且肿瘤负荷也更低。在这些小鼠的肿瘤中,p53在K120和K139处的乳酸化减少。这些结果表明,AARS1在体内介导p53失活并导致肿瘤发生。

 

考虑到β-丙氨酸(一种常用的运动补充剂)是乳酸的类似物,他们推测其能破坏乳酸与AARS1的结合。在动物模型中,β-丙氨酸处理可适度抑制细胞增殖、克隆形成和异种移植肿瘤生长。多柔比星(激活p53的癌症治疗药物)可以增强上述效果。经过β-丙氨酸和多柔比星处理,小鼠寿命显著延长。由此可以推断,β-丙氨酸可防止乳酸化依赖性的p53失活,表明它具有治疗潜力。

 

研究结论

苏州大学团队揭示乳酸化如何促进肿瘤发生

图3 AARS1介导肿瘤细胞中的p53乳酸化并促进肿瘤发生的示意图[1]

 

总的来说,这项研究发现肿瘤产生的乳酸通过乳酸化对抗p53。AARS1是一种乳酸感知器,负责全局赖氨酸乳酸化。该研究还确定p53的K120和K139是AARS1的真正靶点,并证明乳酸化会阻碍p53液-液相分离、DNA结合和转录激活,从而导致肿瘤发生(图3)。研究人员认为,全面了解AARS1的功能及其功能失调的后果有望从机理上认识多种人类疾病。

 

参考文献:

[1]Zong et al., Alanyl-tRNA synthetase, AARS1, is a lactate sensor and lactyltransferase that lactylates p53 and contributes to tumorigenesis, Cell (2024), https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.04.002

 

赛业小鼠模型构建

赛业生物构建了Ldha条件性基因敲除小鼠、Aars基因敲除小鼠与条件性基因敲除小鼠,更有活体小鼠已加入『红鼠资源库』,快至2周交付!确保您在短时间内获得更具性价比的实验用鼠,为您的研究加点速~

 

Ldha flox小鼠


苏州大学团队揭示乳酸化如何促进肿瘤发生

小鼠福利,限定发放中~

品系名称:

C57BL/6JCya-Ldhaem1flox/Cya

品系编号:

CKOCMP-16828-Ldha-B6J-VA

产品编号:

S-CKO-03369

应用方向:

代谢,癌症,骨骼,遗传,肠胃,精神科

 

Aars KO小鼠

苏州大学团队揭示乳酸化如何促进肿瘤发生

小鼠福利,限定发放中~

品系名称:

C57BL/6JCya-Aars1em1/Cya

品系编号:

KOCMP-234734-Aars1-B6J-VA

产品编号:

S-KO-15705

应用方向:

代谢,骨骼,遗传,肠胃,精神科,罕见病

 

Aars flox小鼠

苏州大学团队揭示乳酸化如何促进肿瘤发生

小鼠福利,限定发放中~

品系名称:

C57BL/6JCya-Aars1em1flox/Cya

品系编号:

CKOCMP-234734-Aars1-B6J-VA

产品编号:

S-CKO-07765

应用方向:

代谢,骨骼,遗传,肠胃,精神科,罕见病

如果您对产品或服务有兴趣,可通过以下方式联系我们
在下方表单
填写需求描述给我们
点击页面右侧“在线咨询”
工具快速咨询
拨打免费电话:
400-680-8038
发送邮件至邮箱:
info@cyagen.com
click to refresh
交流社区
神经
扫码加入
神经领域交流群
需备注来意,审核后进入
基因
扫码加入
基因领域交流群
需备注来意,审核后进入
细胞
扫码加入
细胞领域交流群
需备注来意,审核后进入
云课堂
扫码加入
云课堂交流群
需备注来意,审核后进入