《自然》：乳酸真会伤免疫！浙大团队发现，高水平乳酸会将cGAS乳酸化，导致先天性免疫被抑制

就在前两天，我看到《自然》杂志发表的一篇论文[1]，突然又想起了那个读者的留言，因为我意识到，这项研究成果可能是就是潜在的原因之一。

这篇研究论文是浙江大学张龙团队发的，论文的第一作者是浙江大学博士生李赫羽。他们发现，在乳酸水平较高的情况下，细胞里的丙氨酰-tRNA合成酶1和2（AARS1/2）会感受到乳酸的存在，然后AARS2会用乳酸将参与抗病毒先天性免疫反应的cGAS乳酸化，导致cGAS失活[1]。如此一来，抗病毒先天免疫反应就被抑制了。

这项研究成果，很好地解释了为什么包括肿瘤在内的很多严重疾病都会出现乳酸水平升高这一现象。因为高水平的乳酸，可以建立免疫抑制微环境，有助于疾病的进展。

▲ 论文首页截图

说起乳酸化，长期关注我们的读者朋友一定很熟悉。

蛋白乳酸化修饰现象，最早是由芝加哥大学赵英明团队在2019年报道。

当时他们发现，乳酸可以以乳酸化的表观遗传学修饰形式，连接到巨噬细胞组蛋白上，调控相关基因的开关，促使巨噬细胞从促炎、抗癌的M1型，向抗炎、促癌的M2型转变[2]。

由于肿瘤在发展的过程中会产生乳酸，乳酸化与癌症进展之间的关系受到广泛的关注。例如，今年2月份，我们报道了苏州大学周芳芳团队的发现，乳酸化会导致抑癌蛋白p53失活，进而促进癌症的进展[3]；今年7月份，中山大学张常华/何裕隆/尹东等人发现，乳酸化还会促进癌细胞修复DNA损伤，帮助癌细胞抵抗放化疗[4]。

不难看出，研究进展非常迅速。在这5年期间，也有很多人开始研究乳酸化这个现象背后的分子机制。周芳芳团队就发现，AARS1是乳酸化的关键酶[3]。从张龙团队的投稿时间在2022年来看，他们应该也是在同一时间发现了调节乳酸化的关键酶[1]。不过，张龙团队的切入点与之前的研究不同，他们从病毒感染入手。

张龙团队在分析人巨细胞病毒（HCMV）感染患者的血液成分之后发现，与那些血液乳酸水平高（H-Lac）或出现乳酸酸中毒（LA）的患者相比，乳酸水平正常的患者血液中cGAMP（病原物双链DNA激活cGAS后形成的）和IFNβ浓度更高。

此外，在血液乳酸水平高（H-Lac）或出现乳酸酸中毒（LA）的HCMV感染者血液中，cGAMP和IFNβ的水平与乳酸成反比。不难看出，乳酸在影响人体的抗病毒反应。

▲ 乳酸、cGAMP和IFNβ的水平差异非常显著

接下来，张龙团队在细胞中探索了乳酸调节抗病毒免疫反应的原因。

他们发现，细胞膜上的单羧酸转运蛋白（MCT1）是摄入乳酸的关键蛋白，抑制MCT1的活性可以降低细胞内乳酸的水平。

基于MCT1编码基因敲除及病毒感染实验，他们证实，确实是MCT1介导的乳酸摄取，抑制了cGAMP合成和先天免疫监视。

由于cGAMP的合成受cGAS调控，因此张龙团队检测了乳酸对cGAS活性的影响。他们发现，将乳酸与cGAS放在一起，不会影响cGAS的活性，但是在引入未高温处理的细胞裂解液之后，乳酸就会降低cGAS的活性。

此外，他们还发现，cGAS活性的降低与乳酸化水平升高密切相关。而且，与基本未乳酸化的cGAS相比，完全乳酸化的cGAS几乎完全丧失了产生cGAMP的酶活性。

不难看出，细胞质中存在一种酶，可以用MCT1运进细胞的乳酸乳酸化cGAS。

▲ 中间究竟是谁呢？

是时候在全基因组范围内开展地毯式排查了。

这一筛，发现不少相关基因，不过排名靠前的主要是AARS2、AARS1和MCT1三个。MCT1是负责吸收乳酸的，被筛出来挺正常的。

酶如其名，前面介绍过，AARS2和AARS1的中文名是丙氨酰-tRNA合成酶，它们的功能是将丙氨酸与tRNA连接起来。不过张龙团队发现，AARS2和AARS1不仅能与乳酸结合，而且二者的亲和力与AARS1/2和丙氨酸相当，AARS2与乳酸的解离常数（Kd）为7.5μM，AARS1为16.7μM。

从细胞整体来看，在敲除AARS1或AARS2之后，细胞整体乳酸化水平降低；同时敲除二者的话，细胞内几乎就检测不到乳酸化信号了。如果过表达二者之一的话，细胞整体乳酸化水平会增加，不过AARS1和AARS2乳酸化的底物存在差异。

▲ AARS1和AARS2的乳酸化底物有重叠，但差异更大

那谁是cGAS的乳酸化酶呢？

张龙团队在小鼠和人细胞系中分析了AARS1和AARS2对cGAS的乳酸化情况。

研究结果显示，在人和小鼠细胞中，AARS2才是cGAS的乳酸化的关键酶。

后续的结果还发现，cGAS蛋白N端的Lys131位点被AARS2乳酸化，导致乳酸化的cGAS失去了正电荷，降低了其与DNA的亲和力。具体来说，与没有乳酸化的cGAS相比，乳酸化的cGAS与DNA的亲和力低100多倍。

▲ 乳酸化导致cGAS与DNA的亲和力暴跌

张龙团队还基于小鼠模型，证实cGAS的乳酸化会在体内发挥免疫抑制功能。

值得注意的是，在研究的最后，张龙团队基于焦虑小鼠模型，发现乳酸介导的cGAS抑制，与焦虑（血清乳酸水平升高）导致的免疫监视功能低下有关。

好消息是，阻断乳酸转运蛋白MCT1的活性，可阻止乳酸转运到先天性免疫细胞内，从而避免cGAS被乳酸化，恢复细胞的先天性免疫监测功能。

▲ 机制示意图

总的来说，张龙团队这项研究成果较全面的揭示了乳酸调节的乳酸化分子机制，并发现了高乳酸水平导致免疫抑制的原因，以及破解的办法。

鉴于乳酸化还与肿瘤等多种疾病密切相关，这项研究成果有望给这些疾病带来新的疗法。