乳酸在人体健康中扮演着重要的角色。乳酸的异常堆积与高发病率和高死亡率的癌症及免疫系统疾病密切相关。乳酸是如何“躲开”免疫监视，在细胞内不断累积？问题背后的分子机制至关重要，但目前仍缺乏充分的研究。
浙江大学生命科学研究院张龙教授团队运用分子生物学和生物化学手段，发现了乳酸感知蛋白质——丙氨酰-tRNA合酶1（AARS1）与合酶2（AARS2），以及它们在大肠杆菌中的同源蛋白质AlaRS，揭示了AARS1/2感知乳酸后发挥介导蛋白组乳酸化的关键作用，阐明了乳酸堆积导致严重疾病的分子机理，为乳酸堆积导致的不良预后提供了全新的治疗策略。北京时间9月25日，团队在Nature杂志上发表了题为AARS1 and AARS2 Sense L-Lactate to Regulate cGAS as Globally Lysine Lactyltransferases的研究论文。
在人体内，正常的葡萄糖代谢是通过三羧酸循环进行的，这一过程高效地将葡萄糖完全氧化。然而，在临床实践中观察到，许多疾病状态下存在葡萄糖代谢异常，表现为葡萄糖的不充分代谢和乳酸的过度积累。以肿瘤细胞为例，其胞内乳酸浓度往往比正常细胞高出数十倍甚至上百倍。高乳酸水平不仅扰乱细胞内稳态，还可能影响机体对疾病的抵抗力。因此，深入理解乳酸在人类疾病发展中的作用机制，对于开发新的治疗策略具有重要意义。
环鸟苷酸-腺苷酸合成酶（cGAS）是细胞内的免疫“监视器”，它能够识别胞内异常出现的DNA，诱导下游产生干扰素信号，激活免疫系统。张龙团队以人类巨细胞病毒为切入点，对比感染患者血清中的L-乳酸含量与cGAS催化产物环鸟苷酸-腺苷酸（cGAMP）水平，发现了两者的含量呈现负相关。这意味着乳酸会抑制cGAS的活性。
张龙团队进一步地探究乳酸抑制cGAS活性的方式。通过体外孵育实验，他们发现cGAS活性的抑制需要裂解液中特定蛋白质的参与，表明存在辅助因子在L-乳酸介导的cGAS抑制中起关键作用。实验还显示，cGAS活性的降低与cGAS乳酸化水平的升高呈现良好相关性，说明L-乳酸很可能通过促进cGAS的乳酸化修饰来调节其活性。
为了鉴定出负责感知细胞内L-乳酸并介导cGAS失活的基因，研究团队在HT1080细胞系中进行了全基因组CRISPR筛选。结果显示，敲低AARS1和AARS2后，细胞内整体乳酸化修饰水平出现了显著下降，说明AARS1和AARS2可能是乳酸感受器，并在乳酸化修饰过程中发挥着关键作用。
如果说，cGAS是“监视器”，那乳酸化修饰就像蒙在监视摄像头上的一件“隐形衣”，使cGAS失去识别和诱导免疫反应的能力。就像恶性肿瘤细胞，躲开了免疫监视，不被机体识别而不断增殖、转移。
团队进一步通过结构模拟发现，人源的AARS1/2和大肠杆菌AlaRS与L-乳酸的结合方式类似于L-丙氨酸。突变保守残基后，这些酶结合L-乳酸的能力显著下降，从而证实了丙氨酰-tRNA合酶能够特异性地结合L-乳酸分子。
张龙说：“AARS1/2原本是丙氨酸的tRNA合酶。我们推测，可能是因为L-乳酸和L-丙氨酸具有相似的分子构象，高乳酸环境下AARS1/2才会‘错误’地识别L-乳酸。”
体外实验表明， AARS1/2和AlaRS均能够将一分子L-乳酸和一分子ATP直接催化产生一个位点的乳酸化修饰。“这是自酰化修饰被报道半个多世纪以来，人们首次发现不依赖辅酶A的催化反应模式，该模式能够将葡萄糖的代谢产物L-乳酸和ATP共价修饰到蛋白质上，直接改变重要蛋白质的功能。”张龙说，这一机制也揭示了乳酸作为一种代谢产物参与蛋白质翻译后修饰的主要途径。
为了明确cGAS氨基端乳酸化对其功能的影响，研究团队开发了一种遗传密码扩展正交系统，制备出位点特异且完全乳酸化的蛋白质。该技术为检测蛋白质发生乳酸化修饰后的功能，提供了有力工具。
本研究中，系统通过将乳酸化赖氨酸整合到cGAS蛋白质中，制备出位点特异且完全乳酸化的cGAS蛋白质，可以直观地观测乳酸化的cGAS蛋白质（cGASLac）与未乳酸化的对照蛋白质（cGASNon-Lac）在功能上的差异。
与cGASNon-Lac相比，cGASLac与45-bp ISD的结合能力更差。cGASNon-Lac与45bp DNA在体外快速形成较大、荧光强度更高且流动性更好的液滴，而cGASLac与DNA结合能力弱，倾向于自我聚集形成小且呈凝胶状、荧光恢复能力低的液滴。值得注意的是，在与长链DNA如100-bp DNA或HT-DNA体外共孵育后， cGASNon-Lac能够有效形成具有较强流动性的液滴，而cGASLac倾向于聚集形成胶状液滴。相较cGASNon-Lac，cGASLac的催化活性也受到了大幅度抑制。
团队在多种小鼠模型中验证了乳酸化修饰对cGAS活性的抑制作用，再一次证实了，cGAS的乳酸化是抑制免疫监视，导致疾病重症的一个重要因素。
“后续，我们期望可以找到特异方式，抑制AARS1/2的乳酸识别能力，从而缓解高乳酸血症。”张龙展望。
浙江大学博士生李赫羽为本文第一作者，张龙为本文通讯作者。该研究得到了浙江大学林世贤研究员、茹衡研究员、杨兵研究员、宋海教授、陆华松研究员和重庆医科大学附属第二医院黄慧哲研究员的大力支持。本项目受国家杰出青年科学基金、国际合作重点项目和科技部重点研发计划等项目的资助。
文字记者：查蒙
摄影记者：朱原之
视频摄制：高兴就好
今日编辑：浙江大学融媒体中心学生记者团 韩鸣筝
责任编辑：杨哲青 周亦颖
