综述：乳腺癌中乳酸化修饰的研究进展

　　本综述系统探讨了乳酸化修饰（Lactylation）在乳腺癌中的关键作用，这一新型翻译后修饰（PTM）将代谢重编程与表观遗传调控紧密相连。文章详细阐述了乳酸化在肿瘤微环境（TME）中的调控机制，及其对乳腺癌细胞增殖、迁移、侵袭和化疗耐药性的影响。重点介绍了组蛋白（如H3K18la、H4K12la）和非组蛋白的乳酸化靶点，以及相关的信号通路（如PI3K/AKT、Hippo）。文章还强调了机器学习（Machine Learning）在乳酸化位点预测和预后模型构建中的应用，并展望了以乳酸化为靶点（如p300、HDACs）的新型治疗策略，为乳腺癌的精准诊断和治疗提供了新视角。

　　

引言

乳腺癌是全球女性中最常见的恶性肿瘤，其发病机制复杂，涉及遗传和环境等多种因素。近年来，代谢重编程与表观遗传调控的交叉研究成为热点。乳酸化修饰（Lactylation）作为一种新型的翻译后修饰（PTM），于2019年由张等人首次发现，它独特地将代谢与表观遗传联系起来，在肿瘤发生发展中扮演着关键角色。乳腺癌细胞即使在有氧条件下也倾向于进行糖酵解（Warburg效应），产生大量乳酸，为乳酸化修饰提供了底物，使其成为乳腺癌研究的焦点。

乳酸酸代谢

正常细胞在有氧条件下，葡萄糖通过糖酵解产生丙酮酸，随后进入线粒体参与三羧酸循环，高效产生ATP。而在缺氧状态下，细胞则进行无氧糖酵解，丙酮酸在乳酸脱氢酶A（LDHA）的催化下转化为乳酸，以维持NAD⁺水平，保证糖酵解的持续，但ATP效率较低。

相比之下，肿瘤细胞表现出显著的Warburg效应，即在有氧条件下也优先进行糖酵解，大量产生乳酸。除了葡萄糖，谷氨酰胺也可作为底物通过两条主要途径（GLS-GDH-ME轴和GOT-MDH轴）参与乳酸生成。产生的乳酸通过 monocarboxylate transporter 1（MCT-1）和MCT-4进行跨膜运输，以维持细胞内pH稳态。

乳酸化修饰的机制

乳酸化修饰是指乳酸通过共价键连接到赖氨酸残基上的过程，主要通过酶促和非酶促两种机制完成。

酶促乳酸化

该过程依赖于转移酶。由于乳酸和乙酰基结构相似，组蛋白乙酰转移酶EP300（p300）和CREB结合蛋白（CBP）也被发现是主要的乳酸转移酶。其保守的乙酰转移酶结构域通过疏水相互作用容纳乳酸-CoA，实现了底物混杂性。乳酸化的可逆性则由“擦除”酶调控，包括组蛋白去乙酰化酶HDAC1-3、HDAC6、HDAC8以及去乙酰化酶SIRT1-3，它们能够水解乳酸-赖氨酸键，恢复未修饰的赖氨酸。

在修饰发生前，乳酸需要通过酰基-CoA合成酶（ACSs）在ATP依赖的反应中被激活成乳酸-CoA，这一“启动”步骤确保了热力学可行性。此外，还发现了新的乳酸化调节因子。例如，在结直肠癌中，赖氨酸乙酰转移酶8（KAT8）被鉴定为第一个全局乳酸转移酶，它通过乳酸化真核翻译延伸因子1A2（eEF1A2）的K408位点，增强翻译效率，促进肿瘤进展。

氨基酸-tRNA合成酶（AARS1和AARS2）也表现出 moonlighting 功能，能直接将乳酸和ATP转化为乳酸-AMP，绕过乳酸-CoA的合成，成为乳酸化的一种能量丰富的中间体。

非酶促乳酸化：MGO-GLO1轴

化学乳酸化则不依赖于酶活性。甲基乙二醛（MGO）是糖酵解的一种活性副产物，它与谷胱甘肽反应，在乙二醛酶1（GLO1）的催化下形成乳酸谷胱甘肽（LGSH）。LGSH在病理条件下（如高血糖）非酶促地将乳酸基团转移到赖氨酸残基上。

基于机器学习的乳酸化相关基因在癌症预后中的应用

机器学习强大的分析能力使得研究人员能够处理大规模数据集，以揭示可能调节肿瘤行为和预测患者预后的复杂乳酸化模式。

生物标志物的识别

通过机器学习从多组学数据中识别与乳酸化相关的新型生物标志物，为揭示肿瘤进展机制和发现新的药物靶点带来了巨大希望。例如，在胃癌AGS细胞中，通过LC-MS/MS结合机器学习，在1014种蛋白质中发现了2375个Kla位点。在三阴性乳腺癌（TNBC）中，研究人员鉴定出48种蛋白质上的58个乳酸化位点，并发现H4K12lac可能成为一种潜在的生物标志物。最近的研究还表明，乳腺癌中H4K5lac水平的升高与淋巴结转移、晚期临床分期和不良预后显著相关。

传统的Kla位点鉴定实验方法耗时费力，因此计算预测方法的发展显得尤为重要。研究人员已开发出多种工具，如基于小样本深度学习模型的FSL-Kla、基于深度学习的DeepKla、以及基于Transformer的Auto-Kla模型，它们在各自领域都显示出较高的预测准确性。

预测模型与个性化医疗

研究人员基于已知的乳酸化修饰构建了机器学习的预后模型，从而能够利用乳酸化特征预测肿瘤行为，实现个性化医疗。这些模型可以帮助临床医生估算患者预后并选择适当的治疗方案。目前，针对多种癌症（包括淋巴瘤、肝细胞癌、肾透明细胞癌、多发性骨髓瘤、骨肉瘤、胰腺癌、胶质瘤、前列腺癌、结直肠癌、胃癌和乳腺癌）都已开发出基于乳酸化修饰靶基因的预后模型。

在乳腺癌研究中，机器学习被用于预测预后和治疗反应。一项研究利用KLA相关的长链非编码RNA（lncRNA）通过Cox回归和XGBoost算法构建了预后模型。患者按中位风险评分进行分层，揭示了在生存、临床特征、免疫浸润、治疗反应和药物敏感性方面的差异。另一项研究基于22个KLA相关基因构建了预测模型，识别了潜在的药物靶点并深入探究了肿瘤免疫微环境。

肿瘤微环境中的乳酸化修饰

乳酸化在肿瘤微环境（TME）中的作用是一个复杂且多方面的领域。这个动态且异质的生态系统由癌细胞、基质细胞、免疫细胞和细胞外基质组成，显著影响癌症的生长和治疗反应。乳酸化在调节该环境中各种细胞的相互作用和功能方面发挥着关键作用，为靶向癌症治疗提供了广阔前景。

对肿瘤细胞的直接影响

肿瘤细胞是TME中乳酸升高的来源，也是Warburg效应的受益者。大多数研究表明，这些细胞中乳酸化的增加与恶性特征的增强密切相关。

组蛋白乳酸化修饰

组蛋白乳酸化修饰主要集中在组蛋白H3和H4上，特定位点包括H3K18la、H3K27la、H3K14la、H3K9la、H3K56la和H4K12la。这些修饰在多种癌症中调控着关键基因的表达：

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  在乳腺癌中，由糖酵解速率升高驱动的组蛋白乳酸化影响了c-Myc等关键癌基因。c-Myc对细胞增殖和生存至关重要，其表达受乳酸化上调，并进一步激活SRSF10。这个剪接因子调节MDM4和Bcl-x等基因，将代谢变化与基因表达改变联系起来，驱动乳腺癌发展。
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  KCNK1通过激活LDHA增强糖酵解和乳酸产生，导致组蛋白乳酸化增加和下游基因表达改变。这种代谢转变促进了乳腺癌细胞的增殖、侵袭和转移。
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  此外，H3K18la增强了PPARD的表达，随后激活PI3K/AKT信号通路，维持BC中的细胞生存和增殖。
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  在三阴性乳腺癌（TNBC）中，H4K12乳酸化通过下调SLFN5（一个抗肿瘤生长和凋亡的基因）与肿瘤进展相关。

非组蛋白乳酸化

许多非组蛋白也发生乳酸化，这是一种关键的表观遗传调控机制，在细胞活动中扮演重要角色。例如：

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  在结直肠癌中，eEF1A2的K408乳酸化增强了翻译延伸和蛋白质合成，推动了致癌过程。
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  在胃癌中，AARS1通过易位到细胞核中，催化YAP的K90和TEAD1的K108发生乳酸化，从而激活下游靶基因的表达，促进肿瘤细胞增殖。

对免疫细胞的影响

在肿瘤微环境中，高浓度的乳酸通过驱动快速的表型和功能改变，对免疫细胞产生显著影响，从而为免疫治疗干预识别了潜在靶点。

乳酸化修饰可以驱动免疫细胞向免疫抑制表型转化。巨噬细胞是免疫反应的关键参与者，主要存在M1或M2表型。M1巨噬细胞参与急性免疫反应，而M2巨噬细胞则与寄生虫病相关，并在TME中表现出免疫抑制表型。先前的研究表明，乳酸可通过稳定HIF-1α和诱导M2基因（如Arg-1、Fizz-1、Mgl-1、VEGF和PPAR-γ）来极化M2免疫抑制表型，从而促进肿瘤生长、转移和侵袭。考虑到乳酸化修饰的最新进展，在结直肠癌、宫颈癌、胶质瘤和胰腺癌等多种癌症中存在的潜在关系，可能需要后续实验来验证。

调节性T（Treg）细胞对于维持肿瘤微环境中的免疫抑制至关重要。高乳酸浓度影响Treg细胞的分化、稳定性和功能，抑制抗肿瘤免疫力并加速肿瘤进展。乳酸通过MOESIN的赖氨酸72乳酸化来调节Treg细胞的生成，增强其与TGF-β受体I和下游SMAD3信号传导的相互作用。在恶性胸腔积液（MPE）中，单羧酸转运蛋白1（MCT1）和乳酸脱氢酶B的过表达通过促进FOXP3+ NKT样细胞对乳酸的摄取和利用，来维持其免疫抑制功能和高度乳酸化。

理解这些机制对于制定策略以克服免疫抑制和提高免疫治疗效果至关重要。通过靶向乳酸化相关通路，可能能够调整肿瘤免疫微环境，逆转免疫抑制表型，并增强患者对免疫治疗的反应性。

基于乳酸化修饰的治疗

前述讨论指出了癌症中众多异常的组蛋白修饰位点以及组蛋白修饰酶活性的改变。这些异常的修饰和修饰酶表达的变化可以作为有价值的生物标志物，用于肿瘤的精确筛查、检测、诊断和预后。鉴于不同的酶催化特定组蛋白位点的修饰，靶向这些具有致癌潜能的组蛋白修饰酶代表了一种有前景的癌症治疗策略。

靶向乳酸化修饰酶

通过靶向负责的酶可以调整翻译后修饰，如乳酸化。细胞内乳酸化水平可以通过靶向“书写器”（如p300）和“擦除器”（如HDACs和SIRT酶）来调节。C646是乳酸化书写酶p300的抑制剂，通过减少H3K27乳酸化促进细胞凋亡，从而抑制乳腺癌生长。HDAC1-3和SIRT1-3以其去乙酰化酶活性而闻名，同时也起到去乳酸化酶的作用，在这些修饰之间创造了潜在的竞争。Honokiol诱导的SIRT3激活通过调节CCNE2的Kla水平，诱导HCC细胞凋亡并在体内防止HCC生长。这些酶对基因表达、细胞周期调控和代谢通路至关重要。HDACs和SIRTs因其在影响基因表达的表观遗传修饰中的作用而引起了兴趣。

靶向与乳酸化修饰相关的代谢通路

癌细胞的代谢变化，特别是糖酵解和乳酸产生的增加，代表了一个独特的脆弱性，可以被利用来获得治疗效益。通过抑制糖酵解酶和乳酸转运蛋白来靶向乳酸生产，提供了一种多方面的抗癌方法，凸显了代谢研究在开发新型癌症疗法中的重要性。从中药中提取的主要成分，如王浆酸和吴茱萸碱，被用于调节糖酵解乳酸化修饰，以抑制肿瘤细胞的生长、迁移和增殖。王浆酸通过干扰乳酸产生和抑制组蛋白H3在H3K9la和H3K14la位点的乳酸化来抑制HCC发展。同时，吴茱萸碱通过诱导铁死亡损害HIF1A组蛋白乳酸化，从而抑制Sema3A介导的血管生成和PD-L1，用于前列腺癌治疗。

针对乳酸化修饰的新兴治疗策略

新兴的抗肿瘤策略靶向乳酸化修饰，超越了传统的代谢通路抑制剂。环状RNA（circRNA）在疾病中扮演多种角色。例如，CircXRN2稳定LATS1以激活Hippo通路，抑制H3K18乳酸化驱动的膀胱癌进展。此外，由KRAS突变肿瘤细胞产生的乳酸激活的circATXN7转录本，与NF-κB p65结合，将其隔离在细胞质中。其在细胞毒性T淋巴细胞（CTLs）中的上调与不良预后和免疫治疗耐药性有关。研究还揭示了一种由circMETTL3编码的新型肽METTL3-156aa，它与LDHA结合，通过增强其糖酵解促进M1巨噬细胞极化。随后，糖酵解代谢产物乳酸上调了剪接因子SRSF10的表达，导致前METTL3 mRNA的剪接增加，从而提高了cirMETTL3的产量。染色体外环状DNA（eccDNA）也通过促进蛋白酶体抑制剂耐药性发挥作用，它通过KIF3C扩增，减少MUC20表达，并抑制耐药多发性骨髓瘤细胞中的IGF-1R乳酸化。

环状RNA和eccDNA在癌症乳酸化修饰中的作用是复杂的，且尚未被完全探索。由于它们具有显著的抗肿瘤效应潜力，进一步的研究是必要的。理解它们在细胞中的具体功能及其对肿瘤发展的影响，可能揭示新的治疗策略，改善癌症患者的生存和生活质量，并为其他疾病的治疗提供见解。

讨论

乳酸作为肿瘤糖酵解的关键副产物，及其衍生的乳酸化修饰，对许多生物过程至关重要，包括基因表达调控、细胞信号转导和炎症反应协调，并显著影响疾病的发生和发展。具体来说，乳酸化修饰可以调节肿瘤微环境并重塑肿瘤代谢。它们还可以在特定酶的影响下导致组蛋白和非组蛋白的乳酸化。这些修饰在肿瘤生长、增殖、迁移、耐药和免疫逃避中扮演重要角色，使其成为癌症治疗的潜在靶点。

当前研究集中在几个关键领域：

a) 阐明肿瘤细胞内乳酸化修饰的机制。

b) 利用多组学和机器学习识别乳酸化位点并构建风险预测模型。

c) 探索乳酸化修饰在肿瘤微环境中的作用。

d) 基于已识别的靶点开发新药。

尽管取得了相当大的进展，研究人员在该领域仍然面临新兴的研究方向和挑战。在乳腺癌中，乳酸化修饰构成了一个新兴的研究前沿，提供了新的见解。本综述描述了乳酸化修饰在包括乳腺癌在内的各种癌症中的机制、其对肿瘤微环境的影响、机器学习的应用以及药物研究的进展。然而，乳酸化修饰的临床应用需要进一步研究以确保其有效性和安全性。关键的考虑因素包括：

1. 1.
   正常细胞毒性：研究应关注理解乳酸化修饰在正常细胞中的潜在毒性，以确保治疗策略不损害健康组织。
2. 2.
   生理影响：评估乳酸化修饰对关键生理过程（如生长代谢和胚胎发育）的影响，以确保乳酸化靶向治疗的安全性。
3. 3.
   乳腺癌中的机制和网络：探索乳腺癌中乳酸化修饰的机制和表观遗传调控网络，包括它们对肿瘤代谢通路的调节及其对肿瘤微环境的影响。
4. 4.
   亚型特异性网络和位点：识别不同乳腺癌亚型中的特定调控网络和乳酸化位点，以开发更精确的治疗方法。
5. 5.
   免疫治疗应用：鉴于乳酸化修饰在肿瘤免疫抑制中的作用，研究其在免疫治疗中的应用，以开发能够增强抗肿瘤免疫反应的新型联合疗法。
6. 6.
   临床挑战：解决临床实践中的潜在挑战，如不良反应、耐药性、副作用和安全问题，以确保乳酸化疗法有效且安全地转化为临床实践。

更深入地了解肿瘤微环境中的乳酸化修饰，将增强我们对肿瘤发生背后生物学机制的理解。这些知识将为识别新的治疗靶点和改善癌症患者的预后铺平道路。