综述：乳酰化动态及其在骨科病理中的调控作用：研究进展

《Journal of Rare Earths》：Lactylation Dynamics and Its Regulatory Roles in Orthopedic Pathologies: A Research Update

乳酰化作为新型翻译后修饰，通过代谢重编程与细胞外基质重塑协同调控椎间盘退行性、骨质疏松及骨关节炎进展，并参与脊髓损伤修复中的神经免疫调节。该修饰以乳酸为前体，形成H3K18la和H4K12la等表观遗传标记，影响关键通路如NF-κB和Wnt/β-catenin，其分子机制及靶向治疗策略尚待深入探索。

　　乳酸化作为一种重要的翻译后修饰（PTMs），在细胞功能调控中扮演着关键角色。它源于乳酸分子，能够通过直接或间接的方式改变组蛋白和非组蛋白蛋白的功能。尽管糖基化和磷酸化在骨骼代谢和关节疾病中的作用已被广泛研究，乳酸化在骨科疾病中的生物学意义仍处于探索阶段。本研究综合了当前关于乳酸化在四种主要骨科疾病中的研究证据，包括椎间盘退变（IVDD）、骨质疏松症（OP）、骨关节炎（OA）以及脊髓损伤（SCI）。研究结果表明，乳酸化通过两种机制影响疾病的发展：在IVDD和OA中协调细胞代谢与细胞外基质重塑，在SCI恢复过程中调节神经免疫反应。值得注意的是，乳酸化的调控模式与传统的PTMs有所不同，它充当了代谢重编程与病理性组织重塑之间的分子桥梁，这与主要主导信号转导通路的磷酸化形成对比。这些发现将乳酸从一种代谢副产物重新定位为一种疾病调控的信号分子，提示乳酸化可能为治疗炎症、退化和再生性骨科疾病提供新的治疗策略。

在非骨科领域，乳酸化已被广泛研究，并揭示了其在多种疾病和生物过程中的重要作用。例如，在肿瘤学领域，肿瘤细胞的大量乳酸生成会提高蛋白质乳酸化水平。在肝细胞癌中，去甲基泽斯特阿尔可以降低乳酸水平并抑制组蛋白乳酸化，从而抑制糖酵解途径以发挥抗癌作用。在透明细胞肾细胞癌中，失活的冯·希佩尔-林道蛋白通过HIFs依赖的方式诱导组蛋白乳酸化，激活血小板衍生生长因子受体β的表达，促进肿瘤进展。在结肠癌中，肿瘤浸润性髓样细胞（TIMs）中的甲基转移酶样3（METTL3）水平因乳酸通过组蛋白H3K18乳酸化而升高。此外，Yu等人发现YTH结构域家族蛋白2（YTHDF2）是一种m6A（N6-甲基腺苷）读取蛋白，它被组蛋白乳酸化激活，并通过降解PER1和TP53 mRNA促进肿瘤发生。在炎症方面，乳酸化与炎症反应的调控密切相关。在败血性休克患者中，H3K18la水平的升高与血清炎症因子（如IL-6和IL-10）相关，表明其可能具有诊断和预后价值。在心肌梗死中，高乳酸水平通过激活TGF-β/Smad2通路和诱导Snail1乳酸化，介导上皮-间质转化。在神经系统中，组蛋白Kla在脑组织细胞中可检测到，免疫反应可见于谷氨酸能神经元、GABA能神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞中。研究显示，小鼠神经发育和分化过程中，H3K18la和全局H3-Kla水平下降。相反，抑制HDAC1–3可增加H3K14la和H3K18la水平，可能激活神经干细胞转化程序并促进神经元成熟和分化。此外，在缺氧性肺动脉高压中，组蛋白乳酸化通过激活HIF-1α介导的Bmp5、Trpc5和Kit转录，促进肺动脉平滑肌细胞的增殖。

乳酸化在骨科疾病中的研究也逐渐增多，但目前尚缺乏全面和系统的综述来总结和归纳这些进展。因此，本文总结了乳酸化在骨科疾病中的最新研究进展，以指导未来的研究，并为临床相关疾病的治疗提供理论依据。在骨科疾病中，乳酸化的作用机制与细胞代谢和组织重塑密切相关。例如，在椎间盘退变中，乳酸化可能通过调控NPC（椎间盘髓核细胞）的代谢和细胞外基质重塑，影响疾病的发展。而在骨质疏松症中，乳酸化可能通过调控骨髓间质干细胞（BMSCs）向成骨细胞的分化，影响骨形成和骨吸收的平衡。此外，在骨关节炎中，乳酸化可能通过影响成纤维细胞和巨噬细胞的免疫反应，调控炎症和组织修复过程。在脊髓损伤中，乳酸化可能通过促进小胶质细胞的增殖和炎症因子的调控，影响神经修复和再生。

乳酸化在细胞中的代谢过程是动态的，其调控依赖于乳酸水平的高低。在高乳酸环境下，乳酸化水平升高，这可能与细胞内的代谢重编程和组织重塑有关。乳酸通过细胞膜的三种主要方式进入细胞：自由扩散、阴离子交换和使用转运蛋白。其中，单羧酸转运蛋白（MCT）家族和其相关伴侣蛋白在乳酸跨膜运输中起关键作用。MCT1和伴侣蛋白主要负责从细胞外摄入乳酸，而MCT4和其伴侣则负责将乳酸排出细胞。这种跨膜运输不仅影响细胞内的乳酸浓度，还可能作为信号分子发挥作用。乳酸不仅是能量代谢和细胞间信号传导的关键枢纽，同时也是驱动组蛋白和非组蛋白乳酸化的底物。Moreno-Yruela等人发现，乳酸化的关键前体是L-乳酸，它可能通过依赖Lactoyl-CoA的酶促反应实现。与其它过程不同，赖氨酸D-乳酸化发生于一种独特的非酶促途径中，其中糖酵解副产物甲基乙二醛（MGO）与谷胱甘肽反应，由糖酵解酶1（GLO1）催化，生成关键中间体乳酰谷胱甘肽（LGSH）。最近的研究表明，虽然LGSH可以通过糖酵解酶2（GLO2）分解为D-乳酸和谷胱甘肽，但D-乳酸化的主要供体并非游离的D-乳酸，而是通过非酶促反应在MGO和LGSH之间形成的。因此，蛋白质乳酸化可以分为酶促赖氨酸乳酸化和非酶促赖氨酸乳酸化两种类型。

在骨科相关疾病中，乳酸化的调控机制涉及多种酶的作用。例如，在IVDD中，乳酸化可能通过影响NPC的代谢和细胞外基质重塑，调控疾病的发展。研究显示，补充谷氨酰胺可以抑制糖酵解并减少乳酸生成，从而抑制AMPKα乳酸化，促进AMPKα磷酸化，减少NPC衰老，增强自噬和基质合成，从而防止IVDD进展。此外，Shi等人通过RNA测序数据收集了多种与乳酸化相关的基因，建立了与IVDD相关的基因特征。在这些基因中，CBX3是最显著上调的，且分子对接研究表明，阿托西班乙酸可以作为CBX3的特异性抑制剂。抑制CBX3表达可以显著降低NPC的糖酵解活性和整体乳酸水平，从而减缓IVDD的进展。CBX3是一种关键的长链非编码RNA基因，参与IVDD的调控。阿托西班乙酸作为一种CBX3的特异性抑制剂，可能成为IVDD的潜在治疗方法。

在骨质疏松症中，乳酸化可能通过调控成骨细胞和破骨细胞的功能来影响骨代谢。研究发现，乳酸通过组蛋白乳酸化促进成骨细胞分化，例如通过激活JunB的表达。此外，乳酸还可能通过影响血管内皮细胞（ECs）的糖酵解，促进BMSCs向成骨细胞的分化，从而改善骨质疏松症。在骨关节炎中，乳酸化可能通过影响成纤维细胞和巨噬细胞的免疫反应，调控炎症和组织修复。例如，LDHA通过介导TPI1的转录活性，调控OA进展。此外，Luan和Luan开发了一种模型，结合多种机器学习方法和免疫浸润分析，识别了与乳酸化相关的七个关键基因。单细胞分析显示，这些基因在成纤维细胞中的表达显著高于其他细胞类型，表明成纤维细胞可能通过乳酸化相关机制在OA的发病中起关键作用。通过进一步的基因研究，发现这些基因的表达与OA有显著关联，其中HLTF、BRD4、CRABP2和MNDA被认为是风险因素，而CEBPZ则具有保护作用。这些遗传发现通过RT-qPCR得到了功能验证，显示在OA的软骨细胞中，CRABP2、HIST1H2BL、HLTF和MNDA的表达显著高于正常对照组。在脊髓损伤中，乳酸化可能通过促进小胶质细胞的增殖和调控炎症因子的表达，影响神经修复和再生。例如，Hu等人发现乳酸通过增强H4K12la水平，激活小胶质细胞中的PD-1基因转录，促进神经修复。此外，研究还发现，注射Spp1可以激活小胶质细胞中的H4K12la，增强脊髓损伤后的功能恢复。

乳酸化在骨科疾病中的作用机制复杂，涉及多种调控方式。例如，在椎间盘退变中，乳酸化可能通过影响NPC的代谢和细胞外基质重塑，调控疾病的发展。而在骨质疏松症中，乳酸化可能通过影响成骨细胞和破骨细胞的功能，调控骨代谢的平衡。在骨关节炎中，乳酸化可能通过影响成纤维细胞和巨噬细胞的免疫反应，调控炎症和组织修复。在脊髓损伤中，乳酸化可能通过促进小胶质细胞的增殖和调控炎症因子的表达，影响神经修复和再生。这些研究结果表明，乳酸化在骨科疾病中的作用不仅限于单一的分子机制，而是涉及多个因素的相互作用和调控。因此，深入研究这些相互作用对于理解乳酸化在疾病中的具体作用至关重要。

尽管乳酸化在骨科疾病中的作用已被广泛研究，但仍有许多问题需要进一步探索。例如，乳酸化如何在不同细胞类型中调控疾病的发展，其时间点和空间分布如何控制，以及乳酸化是否与其他修饰方式（如乙酰化）相互作用以影响细胞行为。目前，关于乳酸化分子机制的研究仍不充分，需要更深入的探索。未来的研究应关注乳酸化在不同疾病中的调控机制，特别是其如何通过影响代谢重编程和组织重塑，调控疾病的发展。此外，还需要进一步研究乳酸化如何与其他表观遗传机制（如RNA甲基化）相互作用，以影响细胞行为。例如，在韧带变性过程中，组蛋白乳酸化可能通过上调RNA甲基转移酶METTL3，促进BMP2 mRNA的m6A修饰，从而驱动成骨进展。这些发现揭示了乳酸驱动的表观遗传轴，从组蛋白修饰到RNA甲基化，为理解乳酸化在疾病中的作用提供了新的视角。

乳酸化在骨科疾病中的研究不仅有助于理解疾病的发病机制，还可能为开发新的治疗方法提供线索。例如，通过调节乳酸水平，可能影响NPC的代谢和细胞外基质重塑，从而防止IVDD进展。通过调控成骨细胞和破骨细胞的功能，可能改善骨代谢的平衡，从而治疗骨质疏松症。通过影响成纤维细胞和巨噬细胞的免疫反应，可能调控炎症和组织修复，从而治疗骨关节炎。通过促进小胶质细胞的增殖和调控炎症因子的表达，可能促进神经修复和再生，从而治疗脊髓损伤。这些研究结果表明，乳酸化在骨科疾病中的作用具有重要的治疗潜力。然而，目前关于乳酸化分子机制的研究仍处于初步阶段，需要进一步探索其在不同疾病中的具体作用机制，以开发更有效的治疗方法。

综上所述，乳酸化在骨科疾病中的作用机制复杂且多维，涉及多种细胞类型和信号通路。通过深入研究乳酸化在不同疾病中的调控机制，可以为开发新的治疗方法提供理论依据。未来的研究应关注乳酸化如何与其他表观遗传机制相互作用，以及如何通过调节乳酸水平和代谢重编程，实现对疾病的有效干预。此外，还需要进一步研究乳酸化如何影响不同细胞类型的功能，以开发更精准的治疗策略。这些研究不仅有助于理解乳酸化在疾病中的具体作用，还可能为未来的临床应用提供新的方向。