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“乳”此闪耀!奥斯卡DIA乳酸化组让创新研究不再高不可攀!

2024-07-04
中科新生命
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乳酸化(Lactylation)是于2019年发现的一种新的蛋白质翻译后修饰,发生在赖氨酸(K)上。最初的乳酸化是在组蛋白上被发现,且被证明参与受细菌感染的M1巨噬细胞的稳态调控[1]。后续越来越多的研究表明,非组蛋白上也广泛分布着乳酸化。目前,乳酸化研究已成为蛋白修饰研究里的新“顶流”, PubMed文章数及国自然中标数持续攀升!

图1 乳酸化研究Pubmed文章数及国自然中标数

 

 

 

乳酸化是一种动态可逆的翻译后修饰。乳酸化由乳酰基转移酶催化,去乳酸化由去乳酸化酶介导。目前已报道的乳酰基转移酶有HAT p300、KAT8[2]、去乳酸化酶有HDAC1–3、SIRT1–3等,大肠杆菌的乳酰基转移酶为YiaC,去乳酸化转移酶为CobB[3]。还有许多修饰酶和去修饰酶尚待发现。

今年,由复旦大学中山医院高强教授等人发表的综述《Lysine lactylation in the regulation of tumor biology》总结了乳酸化的“双引擎”作用机制,即:

(1)组蛋白乳酸化:组蛋白上的乳酸化通过改变染色体结构、调控转录因子结合以及调节基因启动子区域的可及性影响基因表达;

(2)非组蛋白乳酸化:乳酸化修饰通过空间位阻、构象改变和电荷中和调节蛋白质功能,如通过影响分子互作、酶活性、亚细胞定位等影响蛋白质的功能,发挥调控功能[4]

图2 乳酸化的“双引擎”作用机制

 

修饰蛋白质组学作为一种高通量检测样本中蛋白质修饰位点的高效手段,长期以来被视为发现修饰特征和修饰变化的首选技术。为了加速和助力乳酸化研究,中科新生命与杭州微米生物的强强联合,合作开发了奥斯卡DIA乳酸化蛋白质组产品。该产品使用高特异性乳酸化抗体偶联树脂富集乳酸化肽段+Astral高分辨质谱仪DIA检测,使乳酸化位点的检出深度达到新的高度。

图3 奥斯卡DIA乳酸化蛋白质组实验及分析流程

 

 

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亮点一

Astral高分辨质谱仪加持,乳酸化位点检出破19000

突破传统技术平台的限制,在多种样本类型中的乳酸化位点数破万,更有项目位点鉴定数量19000

图4 奥斯卡DIA乳酸化蛋白质组项目经验

备注:因客户数据保密性要求,位点数在千分位上取整;部分样本具体信息也进行了隐藏。

 

 

亮点二

超丰富生信分析,助力乳酸化机制探索

除基础分析(修饰位点统计、差异修饰分析、motif分析、亚细胞定位、结构域/GO功能/KEGG通路富集分析和蛋白相互作用(PPI)分析),额外提供重要调控蛋白如转录因子、激酶的分析及组学-表型关联分析(WGCNA),满足研究者深层次数据挖掘需求。

特色分析
1

转录因子分析——基因表达调控研究

转录因子是一类能够以序列特异性方式结合 DNA并且调节转录的蛋白质。转录因子能直接调控基因的表达,支持细胞命运转变和对环境的反应,是一类重要的调控蛋白。在一项关于心肌梗死的研究中发现,TGF-β转录因子Snail1的乳酸化促进Snail1的核易位,进而激活下游通路激活[5]。由于转录因子特殊的基因调控功能,特对此类蛋白质进行分析。

图5 转录因子分析统计图

 

特色分析
2

激酶分析——信号通路调控研究

激酶(Kinase)是一类从高能供体分子(如ATP)转移磷酸基团到特定底物上的酶。激酶通过催化底物蛋白质磷酸化,进而激活或者抑制底物蛋白质活性。因此,激酶是调控信号通路激活或抑制的的重要分子开关,受到特别地关注。激酶作为一类蛋白质也受到乳酸化修饰的调控。已有研究指出,激酶上的乳酸化可调控激酶活性,如PKM2 (丙酮酸激酶)K62位点的乳酸化水平增加其丙酮酸激酶活性,进而促进巨噬细胞向修复表型的转变[6]。因此,特对发生了乳酸化的激酶进行分析。

图6 上下调乳酸化激酶蝴蝶图

 

特色分析
3

表型与组学关联分析

我们使用WGCNA(加权基因共表达网络分析)寻找高度协同表达的基因模块(module),并探索基因网络与关注的表型之间的关联关系以及网络中的核心基因。该分析尤其适合多分组、大队列的复杂数据。

图7 WGCNA重要结果图

 

 

 

乳酸化蛋白质组应用方向

1. 全面揭示生理病理条件下的蛋白乳酸化(及蛋白质组)特征

作为一个新的蛋白翻译后修饰,乳酸化可同时发生在组蛋白质和非组蛋白质上。越来越多的研究表明,乳酸化参与了生理过程和疾病(如肿瘤、心血管疾病、炎症和免疫等)的发生发展。因此,全面描绘生理病理条件下的蛋白乳酸化组特征是首要研究方向。此外,乳酸化蛋白质组和蛋白质组的联合研究,将能帮我们揭示乳酸化修饰和蛋白表达间的协同或独立变化。

图8 乳酸和乳酸化参与多种疾病[7]

 

2. 生理病理分子机制挖掘

乳酸化究竟如何参与或者说具体是哪些蛋白质上的乳酸化以怎么样的机制参与或介导了生理病理过程是研究者必然要进一步探索的方向。基于乳酸化蛋白质组技术锁定了差异变化的乳酸化位点后,既可以往上游寻找修饰酶或去修饰酶,又可以往下寻找乳酸化调控的下游分子/通路。而这些围绕乳酸化进行的分子机制挖掘研究正符合国自然基金支持的方向。

图9 乳酸生成及乳酸化参与的疾病作用机制[3]

 

3. 乳酸化和其他酰化修饰的cross talk/竞争性修饰研究

乳酸化和其他多种酰化(乙酰化、琥珀酰化、巴豆酰化等)均发生在赖氨酸(K)位点上。同时,这几个修饰共享一些修饰酶和去修饰酶。此外,乳酸化和乙酰化都可以通过组蛋白调控基因表达,又都可以通过改变非组蛋白质的功能发挥调控作用。因此,这些修饰间的crosstalk/竞争性修饰是一个值得深入探索的领域[8]

 

4. 疾病蛋白基因组研究

常见的蛋白质基因组研究都包含蛋白质组+磷酸化蛋白质组,或又根据研究目的或相关性加入其他种修饰组学。而随着蛋白质乳酸化生物学意义的重要性逐渐被认可,相信乳酸化蛋白质组将会被纳入到疾病蛋白基因组的研究中。尤其在肿瘤领域,肿瘤细胞更偏好有氧糖酵解的这一代谢特征(Warburg effect)将导致肿瘤微环境中更多乳酸的积累,而这些乳酸将通过蛋白质乳酸化的方式参与到肿瘤的分子调控过程。因此,我们相信乳酸化蛋白质组技术将是疾病蛋白基因组研究的一个重要的候选组学。

图10 经典的蛋白基因组数据集[9]

 

参考文献

1.Zhang D, Tang Z, Huang H, et al. Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature. 2019;574(7779):575-580

2.Xie B, Zhang M, Li J, et al. KAT8-catalyzed lactylation promotes eEF1A2-mediated protein synthesis and colorectal carcinogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024;121(8):e2314128121.

3.Wang J, Wang Z, Wang Q, Li X, Guo Y. Ubiquitous protein lactylation in health and diseases. Cell Mol Biol Lett. 2024;29(1):23.

4.Yang Z, Zheng Y, Gao Q. Lysine lactylation in the regulation of tumor biology. Trends Endocrinol Metab. Published online February 22, 2024.

5.Fan M, Yang K, Wang X, et al. Lactate promotes endothelial-to-mesenchymal transition via Snail1 lactylation after myocardial infarction [published correction appears in Sci Adv. 2023 Dec 22;9(51):eadn2108. 

6.Wang J, Yang P, Yu T, et al. Lactylation of PKM2 Suppresses Inflammatory Metabolic Adaptation in Pro-inflammatory Macrophages. Int J Biol Sci. 2022;18(16):6210-6225

7.Li X, Yang Y, Zhang B, et al. Lactate metabolism in human health and disease [published correction appears in Signal Transduct Target Ther. 2022 Oct 31;7(1):372. doi: 10.1038/s41392-022-01206-5]. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):305

8.Shang S, Liu J, Hua F. Protein acylation: mechanisms, biological functions and therapeutic targets. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):396.

9.Mani DR, Krug K, Zhang B, et al. Cancer proteogenomics: current impact and future prospects. Nat Rev Cancer. 2022;22(5):298-313.

 

 

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