自噬是一种进化上非常保守的由溶酶体介导的生物降解过程，对细胞内稳态具有重要的调控作用。自噬过程由复杂的分子网络调控，包括UNC-51样激酶1（ULK1）复合物、III类磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)复合物及多种自噬相关基因。此外，磷酸化、糖基化、泛素化、和乙酰化等在内的翻译后修饰（PTMs）也介导自噬发生。最近的研究表明，乳酸可以驱动组蛋白和非组蛋白的赖氨酸乳酸化，是一种新的翻译后修饰，并以糖酵解依赖的方式调节巨噬细胞、体细胞、癌细胞和脑细胞的基因表达和蛋白活性。然而，乳酸化是否参与调节自噬机制目前尚不清楚。
2023年6月，华东理工大学程侠卫/赵玉政/杨弋团队在国际学术期刊Science Advances（IF 13.6）发表题为“ULK1-mediatedmetabolic reprogramming regulates Vps34 lipid kinase activity by itslactylation”的文章。研究团队发现ULK1通过磷酸化乳酸脱氢酶A（LDHA）促进乳酸产生，并进一步乳酸化Vps34激活其激酶活性，促进细胞自噬发生和内体-溶酶体降解途径。文章阐明了糖酵解代谢产物乳酸调控细胞自噬的新机制，同时揭示了Vps34乳酸化在肌肉运动稳态和肿瘤进展中的作用。
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基因信息
液泡蛋白分选34：Vps34
病毒产品
rAAV-Vps34WT、rAAV-Vps342KR、rAAV-Ctrl
病毒用量
1×1011 CFU
注射方式
肌肉注射骨骼肌
检测时间
注射后4周
01研究方法和结果
1、ULK1诱导LDHA Ser196磷酸化并增强其酶活性
ULK1是参与自噬早期到晚期最关键的蛋白激酶，通过串联亲和纯化、免疫沉淀及酵母双杂等实验，作者鉴定出ULK1与糖酵解关键酶LDHA存在相互作用，并且LDHA在S196位点被ULK1磷酸化，激活ULK1可增强LDHA S196的磷酸化，而抑制ULK1则降低LDHA S196的磷酸化。接着，作者检测了磷酸化对LDHA酶活性的生物学效应，分析发现激活ULK1增加了胞质乳酸水平，而抑制ULK1则与之相反。此外，胞内乳酸水平在LDHA沉默时降低，并被LDHAWT和LDHAS196D的表达所恢复，而LDHAS196A表达未能恢复LDHA酶活性。这些结果表明ULK1介导LDHA的磷酸化并增强其酶活性。
图1. ULK1诱导LDHA Ser196磷酸化
2、Vps34在K356和K781位点被乙酰转移酶TIP60乳酸化
LDHA敲低可降低乳酸水平并抑制p62的降解，作者推测乳酸是否通过自噬蛋白的乳酸化来调节自噬。检测发现在不同的自噬阶段存在多个乳酸化的自噬蛋白(Vps34、ULK1、UVRAG等)，表明乳酸化在自噬调节中发挥了重要作用。由于III类PI3K Vps34是自噬和内吞分选的关键调节因子，作者对Vps34进行了重点研究，分析数据显示Vps34的K356和 K781位点发生乳酸化。通过构建乙酰转移酶shRNA文库，以及共免疫沉淀和抗泛乳酸化抗体Western blotting检测Vps34的乳酸化水平，多项数据证实乙酰转移酶TIP60介导Vps34的乳酸化。进一步的研究表明乳酸化通过增强Vps34与Beclin1、ATG14L和UVRAG的相互作用促进Vps34脂质激酶活性。
图2. Vps34在K356和K781位点被乙酰转移酶TIP60乳酸化
3、Vps34的乳酸化促进自噬通量及内体-溶酶体降解
Vps34在自噬体形成和成熟过程中起重要作用，作者分析了Vps34乳酸化对自噬通量的影响。Vps342KR（乳酸化突变体）部分抑制了p62的降解；Vps34敲低的HEK293T细胞中GFP-LC3的切割被抑制，自噬泡数量减少，Vps34WT表达促进了GFP-LC3的切割并逆转了自噬泡数量的减少，而Vps342KR仅部分逆转上述作用。此外，Vps34沉默在很大程度上阻断了自噬体的成熟，Vps34WT表达的恢复挽救了U2OS细胞的自噬体成熟，而Vps342KR部分逆转了这一作用。这些结果表明Vps34的乳酸化促进自噬体形成和成熟。不仅如此，Vps34的乳酸化促进内体-溶酶体降解，Vps34乳酸化位点的突变会破坏其生物学功能，导致溶酶体降解不足。
图3. Vps34的乳酸化促进自噬体的形成和成熟
4、Vps34的乳酸化在骨骼肌稳态和肿瘤进展中起重要作用
自噬通过消除异常线粒体和内含体在维持骨骼肌稳态中起关键作用。通过强迫游泳实验评估Vps34乳酸化的生理功能，作者发现小鼠肌肉剧烈运动诱导AMPKα(Thr172)、总mTOR、ULK1 (Ser555)、LDHA (Ser196)的上调并产生大量乳酸，同时诱导细胞自噬，促进Vps34的乳酸化，增加PtdIns(3)P水平，接着，作者将对照病毒、rAAV-Vps34WT或rAAV-Vps342KR注入小鼠骨骼肌，4周后进行急性游泳运动，结果表明，Vps34WT的给药增强了肌肉自噬水平，而给药Vps342KR使肌肉自噬水平部分受损。这些结果表明，Vps34的乳酸化是骨骼肌细胞自噬和细胞稳态所必需的。此外，Vps34的乳酸化调节肿瘤组织的自噬活性，并与癌症进展相关。
图4. Vps34的乳酸化在骨骼肌稳态中起重要作用
02小结
本研究表明丝氨酸/苏氨酸激酶ULK1通过在S196位点磷酸化LDHA调节糖酵解途径，从而增强LDHA活性并促进乳酸的产生。乳酸介导的Vps34乳酸化促进其脂质激酶活性，并进一步促进细胞自噬和内体-溶酶体降解途径，Vps34乳酸化通过调节细胞自噬在骨骼肌稳态和肿瘤进展过程中起关键作用。该研究成果将糖酵解调控途径和细胞自噬调控途径有效整合，阐明了高等哺乳动物细胞自噬调控的多元化和复杂性。