Cell主刊 | MST助力人体抑癌基因研究取得新发现！

分享到微信朋友圈

打开微信，点击底部的“发现”，

使用“扫一扫”即可将网页分享到朋友圈。

分享： 2024/08/14 10:16:44

研究背景

在正常血氧水平的典型细胞中，大多数丙酮酸进入线粒体，并由三羧酸循环氧化生成 ATP 来满足细胞的能量需求。然而，在癌细胞或其他高度增殖的细胞类型中，糖酵解产生的大部分丙酮酸离开线粒体并通过乳酸脱氢酶 (LDH/LDHA) 的作用产生乳酸, 这一过程通常是在低氧状态时才会出现。有氧情况下产生乳酸称为“有氧糖酵解”或 Warburg 效应，它是肿瘤代谢改变的最早证据之一。

p53基因，人体抑癌基因。该基因编码一种分子量为43.7KDa的蛋白质，但因蛋白条带出现在Marker所示 53 kDa处，命名为p53蛋白。该蛋白的失活对肿瘤形成起重要作用，是一个关键的肿瘤抑制蛋白。

p53作为转录因子，它通过激活控制DNA修复、细胞周期进程靶基因来保护细胞免受恶性转化。在肿瘤发生过程中，p53的活性会受到磷酸化、乙酰化和泛素化等翻译后修饰的调控。癌细胞的代谢改变导致乳酸等糖酵解中间体的积累，这些乳酸不仅支持细胞增殖，还参与调节免疫细胞分化、肿瘤免疫监视等多种生物学过程。尽管目前已知乳酸可以共价修饰蛋白质，但是其乳酸化的具体机制尚不清楚，同样目前对于p53与乳酸化之间的关联也知之甚少。

研究内容

2024年4月22日，苏州大学生物医学研究院周芳芳教授团队在 Cell 发表题为“Alanyl-tRNA synthetase, AARS1, is a lactate sensor and lactyltransferase that lactylates p53 and contributes to tumorigenesis” 的研究论文。

DOI: 10.1016/j.cell.2024.04.002IF: 45.5 Q1

在这篇研究中，课题组发现肿瘤源性乳酸是p53的天然抑制剂，可促进p53乳酸化，全基因组CRISPR筛选确定了AARS1是肿瘤细胞中全局赖氨酸乳酸化的介质。AARS1耗竭的肿瘤细胞中增殖、集落形成能力显著降低，并且AARS1的耗竭抑制了乳酸诱导的赖氨酸乳酸化。另外，β-丙氨酸在结构上类似于乳酸，研究者发现用其预处理的细胞赖氨酸乳酸化减少。这些生理表象背后的分子机制，研究者仍需要进行进一步探究。

借助NanoTemper公司的MST技术，研究者验证证实了AARS1蛋白（EcAlaRS细菌酶、HsAlaRS人源酶）在分子层面上与乳酸的结合，乳酸与EcAlaRS、乳酸与HsAlaRS的K_d值分别为13 μM和35 μM（图1A），表明EcAlaRS和HsAlaRS可以使用乳酸作为底物直接催化乳酸化。同时，通过MST实验，研究了β-丙氨酸与AARS1的互作，K_d值为2.7 μM（β-alanine与EcAlaRS）和4.0 μM(β-alanine与HsAlaRS)(图1B)， β-丙氨酸有着更强的亲和力。MST的结果在分子层面上非常直观地给出了β-丙氨酸可以抑制乳酸化的结果，从而阐明了生理上β-丙氨酸的拮抗乳酸化的机制(图1C、D)。

图1.AASR1与乳酸互作（A）,AASR1与β-丙氨酸互作（B）, β-丙氨酸与乳酸竞争结合机制（C）, β-丙氨酸抑制乳酸结合AASR1(D)

但是，AARS1结合了乳酸其后续是如何靶向到p53上的呢？

为了寻找答案，研究人员进行了分子对接模拟及关键位点突变pull-down实验，采用质谱分析结合MST实验的方式，发现AARS1 通过 ATP 依赖的方式催化形成乳酸-AMP 中间体，随后将乳酸转移至目标蛋白的赖氨酸残基上，可实现共价结合。这一过程不仅在人类中，也在大肠杆菌中观察到，表明 AARS1 在物种间具有催化赖氨酸乳酸化的古老功能。

通过MST实验，研究者们得到了验证，HsAlaRS和EcAlaRS在体外直接与p53结合，p53与HsAlaRS和p53与EcAlaRS的K_d分别达到39 μM和21 μM，定量确认了pull-down实验的结果（图2A、B）。结合其他生化实验提出描述AlaRS介导的乳酸化的工作模型（图2C）：AlaRS首先与乳酸结合，在ATP存在下形成乳酸AMP和PPi；在底物蛋白存在的情况下，AlaRS将丙酰基转移到底物蛋白上的赖氨酸残基上。

图2.p53与HsAlaRS和p53与EcAlaRS定性pull-down结果（A）, p53与HsAlaRS和p53与EcAlaRS互作（B）, AlaRS介导的乳酸化的工作模型（C）

后续进一步通过质谱分析和抗体识别确认了p53上乳酸化的残基是K120和K139。通过MST实验直接比较了乳酸化p53（p53Lac）与非乳酸化p53（p53Non-Lac）对含有p53应答元件的DNA(p53RE-DNA)的亲和力，乳酸化p53(p53K120-Lac、p53K139Lac和p53-Dual-Lac)对p53RE-DNA的亲和力分别降低了约100倍、10倍和1000倍（图3）。之后的生化生理实验进一步表明p53的位点特异性乳酸化减弱了它们的DNA结合和液-液相分离（LLPS），从而降低了p53的抑瘤作用。

图3.p53乳酸化减弱了其与DNA结合

另外，对于p53上的位点K120和K139, 各种研究表明，p53-K120N可能是无功能的，这些乳酸化模拟变体可能有助于肿瘤发生。

研究者通过借助MST实验给出了有力的数据支持（图4），纯化的K120N/Q/E和K139 N/T/Q/E突变体对p53RE-DNA的结合亲和力降低。K120E和K139E的减少更为明显，表明K-to-E突变导致电荷减少更强。在进一步的生化活性实验中发现，K120N/Q和K139N/T/Q部分丧失了刺激p53反应基因表达的能力，而K120E和K139E几乎完全丧失了这种能力。K120、K139上的病理性突变（肿瘤发生）与p53乳酸化（肿瘤发展）都会导致其与DNA结合能力降低，从而活性丧失（图4）。

图4.Cy5-p53RE-DNA与p53 WT及其突变蛋白互作(左), p53中乳酸化与模拟突变(右)

本项研究中进行了大量的MST实验，通过MST技术，来验证测定AARS1蛋白与肿瘤代谢产物（乳酸）的互作，确认AARS1与p53(蛋白与蛋白)互作的行为, 表征蛋白突变体功能上改变。结合其他生理生化实验完整详细地阐述了关键酶AARS1与肿瘤代谢物(乳酸)在肿瘤发生和发展中重要作用，揭示了p53乳酸化失活机制，提供了一种利用β-丙氨酸阻止p53乳酸化的方法，β-丙氨酸与乳酸竞争结合AARS1，从而加强癌症治疗（图5）。

图5.AARS1在赖氨酸乳酸化组和p53乳酸化在肿瘤发生中的作用以及β-丙氨酸的抑制作用

技术优势

NanoTemper公司的专利MST技术不依赖于分子量的改变，蛋白用量少，可以轻松进行蛋白与小分子代谢产物实验。MST实验是在溶液中，无需固定蛋白的实验体系，可以便捷地设计多组分的实验方案，验证类似小分子的功能。在这篇研究中，除了采用标记蛋白的方式，在检测多种突变体蛋白与p53RE-DNA互作（蛋白与DNA）时，还选择了标记DNA的方式，使得实验内容设计更加简洁且高效。

Monolith系列分子互作平台可以更好的帮助科研人员简便地设计互作方案，在分子层面上直观验证生理机制上的互作结果，为您的实验研究提供强大助力。