Möchten Sie eine Immunüberwachung vermeiden? Auf keinen Fall! Neueste Forschungsergebnisse der Zhejiang-Universität in Nature veröffentlicht

Milchsäure spielt eine wichtige Rolle für die menschliche Gesundheit. Eine abnormale Ansammlung von Milchsäure steht in engem Zusammenhang mit Krebs und Erkrankungen des Immunsystems mit hoher Inzidenz und Mortalität . Wie kann Milchsäure der Immunüberwachung „entgehen“ und sich weiterhin in den Zellen ansammeln? Die molekularen Mechanismen hinter dem Problem sind entscheidend, aber noch nicht ausreichend erforscht.

Das Team von Professor Zhang Long vom Institute of Life Sciences der Zhejiang-Universität nutzte die Molekularbiologie und Biochemie, um die Laktat-erkennenden Proteine ​​Alanyl-tRNA-Synthase 1 (AARS1) und Synthase 2 (AARS2) sowie ihr homologes Protein AlaRS in Escherichia coli zu entdecken. Sie zeigten, dass AARS1/2 nach der Laktaterkennung eine Schlüsselrolle bei der Vermittlung der Milchsäure im Proteom spielt, klärten den molekularen Mechanismus auf, durch den die Ansammlung von Milchsäure zu schweren Erkrankungen führt, und lieferten eine neue Behandlungsstrategie für die durch die Ansammlung von Milchsäure verursachte schlechte Prognose.

Am 25. September Pekinger Zeit veröffentlichte das Team in der Zeitschrift Nature eine Forschungsarbeit mit dem Titel „AARS1 and AARS2 Sense L-Lactate to Regulate cGAS as Globally Lysine Lactyltransferases“.

01 Den „Tarnumhang“ enthüllen, der der Immunüberwachung entgeht

Im menschlichen Körper erfolgt der normale Glukosestoffwechsel über den Tricarbonsäurezyklus, einen Prozess, der Glukose effizient und vollständig oxidiert. In der klinischen Praxis wurde jedoch beobachtet, dass bei vielen Krankheitszuständen ein abnormaler Glukosestoffwechsel vorliegt, der sich in einem unzureichenden Glukosestoffwechsel und einer übermäßigen Ansammlung von Laktat äußert. Bei Tumorzellen ist die intrazelluläre Milchsäurekonzentration beispielsweise oft dutzend- oder sogar hundertmal höher als bei normalen Zellen. Hohe Laktatwerte stören nicht nur die Zellhomöostase, sondern können auch die Widerstandskraft des Körpers gegen Krankheiten beeinträchtigen. Daher ist ein tieferes Verständnis des Wirkungsmechanismus von Laktat bei der Entstehung menschlicher Erkrankungen von großer Bedeutung für die Entwicklung neuer Therapiestrategien.

Die zyklische Guanosinmonophosphat-Adenylatsynthetase (cGAS) ist ein intrazellulärer Immun-„Monitor“, der abnorme DNA in der Zelle erkennen, nachgeschaltete Interferonsignale induzieren und das Immunsystem aktivieren kann. Das Team um Zhang Long verwendete das menschliche Cytomegalovirus als Ausgangspunkt, verglich den L-Milchsäuregehalt im Serum infizierter Patienten mit dem Spiegel des cGAS-katalysierten Produkts zyklisches Guanosinmonophosphat-Adenosinmonophosphat (cGAMP) und stellte fest, dass die Spiegel beider negativ korrelierten. Dies bedeutet, dass Laktat die Aktivität von cGAS hemmt.

Das Team von Zhang Long untersuchte weiter, wie Laktat die cGAS-Aktivität hemmt. Durch Inkubationsexperimente in vitro stellten sie fest, dass die Hemmung der cGAS-Aktivität die Beteiligung spezifischer Proteine ​​im Lysat erforderte, was darauf hindeutet, dass die Existenz von Hilfsfaktoren eine Schlüsselrolle bei der durch L-Milchsäure vermittelten cGAS-Hemmung spielt. Das Experiment zeigte auch, dass die Abnahme der cGAS-Aktivität gut mit der Zunahme des cGAS-Laktylierungsniveaus korrelierte, was darauf schließen lässt, dass L-Milchsäure ihre Aktivität wahrscheinlich reguliert, indem sie die Laktylierungsmodifikation von cGAS fördert.

Um die Gene zu identifizieren, die für die Erkennung intrazellulärer L-Milchsäure und die Vermittlung der cGAS-Inaktivierung verantwortlich sind, führte das Forschungsteam einen genomweiten CRISPR-Screen in der Zelllinie HT1080 durch. Die Ergebnisse zeigten, dass nach dem Herunterfahren von AARS1 und AARS2 der Gesamtpegel der Milchsäuremodifizierung in der Zelle signifikant abnahm, was darauf hindeutet, dass AARS1 und AARS2 Laktatrezeptoren sein könnten und eine Schlüsselrolle im Milchsäuremodifizierungsprozess spielen.

Wenn cGAS ein „Monitor“ ist, dann ist die Laktylierungsmodifikation wie ein „unsichtbarer Mantel“, der die Überwachungskamera bedeckt und dazu führt, dass cGAS die Fähigkeit verliert, Immunreaktionen zu erkennen und auszulösen. Sie entziehen sich ebenso wie bösartige Tumorzellen der Immunüberwachung, werden vom Körper nicht erkannt und vermehren sich weiter und bilden Metastasen.

Das Team entdeckte durch Struktursimulation außerdem, dass die Bindungsart von humanem AARS1/2 und Escherichia coli AlaRS an L-Milchsäure der von L-Alanin ähnelt. Nach der Mutation der konservierten Reste war die Fähigkeit dieser Enzyme, L-Lactat zu binden, deutlich reduziert, was bestätigt, dass Alanyl-tRNA-Synthase spezifisch an L-Lactat-Moleküle binden kann.

Zhang Long sagte: „AARS1/2 war ursprünglich eine Alanin-tRNA-Synthase. Wir vermuten, dass AARS1/2 in einer Umgebung mit hohem Laktatgehalt L-Milchsäure ‚fälschlicherweise‘ erkennt, weil L-Milchsäure und L-Alanin ähnliche Molekülkonformationen aufweisen.“

02 Neue Werkzeuge zur Untersuchung der Laktylierungsmodifikation

In-vitro-Experimente zeigten, dass sowohl AARS1/2 als auch AlaRS ein Molekül L-Milchsäure und ein Molekül ATP direkt katalysieren können, um an einer Stelle eine Lactylierungsmodifikation zu erzeugen. „Dies ist das erste Mal seit der Beschreibung der Acylierungsmodifikation vor mehr als einem halben Jahrhundert, dass Menschen einen katalytischen Reaktionsmodus entdeckt haben, der unabhängig von Coenzym A ist. Dieser Modus kann L-Milchsäure und ATP, die Metaboliten von Glukose, kovalent an Proteine ​​modifizieren und so die Funktionen wichtiger Proteine ​​direkt verändern.“ Zhang Long sagte, dass dieser Mechanismus auch den Hauptweg offenbart, über den Milchsäure als Metabolit an der posttranslationalen Modifikation von Proteinen beteiligt ist.

Um die Auswirkungen der aminoterminalen Lactylierung von cGAS auf seine Funktion zu klären, entwickelte das Forschungsteam ein orthogonales System zur Erweiterung des genetischen Codes, um ortsspezifische und vollständig lactylierte Proteine ​​zu produzieren. Diese Technologie bietet ein leistungsstarkes Werkzeug zum Erkennen der Funktion von Proteinen nach der Laktylierungsmodifikation.

In dieser Studie stellte das System ortsspezifisches und vollständig laktyliertes cGAS-Protein her, indem es laktyliertes Lysin in das cGAS-Protein integrierte, was eine intuitive Beobachtung der funktionellen Unterschiede zwischen dem laktylierten cGAS-Protein (cGASLac) und dem nicht-laktylierten Kontrollprotein (cGASNon-Lac) ermöglichte.

Im Vergleich zu cGASNon-Lac hat cGASLac eine schlechtere Bindungsfähigkeit an die 45-bp-ISD. cGASNon-Lac und 45-bp-DNA bildeten in vitro schnell größere Tröpfchen mit höherer Fluoreszenzintensität und besserer Fluidität, während cGASLac eine schwache Bindungsfähigkeit mit DNA hatte und zur Selbstaggregation neigte, um kleine, gelartige Tröpfchen mit geringer Fluoreszenzwiederherstellungsfähigkeit zu bilden. Bemerkenswerterweise konnte cGASNon-Lac nach der Inkubation mit langen DNA-Ketten wie 100-bp-DNA oder HT-DNA in vitro effektiv Tröpfchen mit starker Fluidität bilden, während cGASLac dazu neigte, sich zu kolloidalen Tröpfchen zu aggregieren. Im Vergleich zu cGASNon-Lac war die katalytische Aktivität von cGASLac ebenfalls deutlich gehemmt.

Das Team verifizierte die hemmende Wirkung der Lactylierungsmodifikation auf die cGAS-Aktivität in mehreren Mausmodellen und bestätigte damit erneut, dass die cGAS-Lactylierung ein wichtiger Faktor bei der Hemmung der Immunüberwachung und der Entstehung schwerer Erkrankungen ist.

„Wir hoffen, in Zukunft einen spezifischen Weg zu finden, die Laktaterkennungsfähigkeit von AARS1/2 zu hemmen und so die Hyperlaktatämie zu lindern“, sagte Zhang Long.