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这篇综述聚焦蛋白质乳酸化（lactylation）与脑健康及疾病。阐述了乳酸代谢、lactylation 机制，探讨其在神经退行性疾病、脑血管疾病等中的作用，分析治疗潜力，指出研究方向，为深入了解相关疾病机制及治疗策略提供重要参考。
乳酸代谢及其在大脑中的作用
在正常生理条件下，葡萄糖在细胞质中转化为丙酮酸，随后进入线粒体的三羧酸（TCA）循环，为细胞活动产生大量能量、氧气和水。在缺氧或其他不利环境中，细胞通过无氧呼吸，由乳酸脱氢酶（LDH）将葡萄糖产生的丙酮酸转化为乳酸。大脑在静息时负责身体 13% 的乳酸产生和 8% 的利用，运动时其乳酸摄取显著增加，体现了乳酸代谢对脑功能和全身稳态的重要性。
乳酸主要有 L - 乳酸和 D - 乳酸两种对映体形式。L - 乳酸由糖酵解直接产生，是人体和大脑中的主要形式，参与多种生物过程，如调节能量产生和代谢途径。它通过单羧酸转运体（MCTs）或 GPR81 受体介导的信号通路进入细胞。在神经系统中，星形胶质细胞 - 神经元乳酸穿梭（ANLS）备受关注。星形胶质细胞从血液中摄取葡萄糖，储存为糖原，并在神经元活动增强时通过快速糖酵解产生乳酸，随后乳酸经 MCTs 运输到细胞外空间，被神经元摄取，转化为丙酮酸和乙酰辅酶 A，通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生 ATP，支持突触形成和神经递质释放。这表明乳酸在大脑中并非仅仅是代谢废物，其代谢生态与脑血管血流、神经元兴奋和神经可塑性密切相关。肿瘤微环境中炎症病理导致的细胞毒性和缺氧会使局部组织乳酸水平升高，而近期研究也强调了乳酸在改善记忆障碍、减轻神经功能障碍以及促进神经元修复和再生方面的重要作用 。
乳酸化的发展及其机制
赖氨酸乳酸化的发展
蛋白质翻译后修饰（PTMs）可改变蛋白质中特定氨基酸残基的生化特性，进而调节基因表达。100 多年前，Warburg 效应揭示肿瘤细胞即使在有氧条件下也依赖无氧糖酵解，这一现象引发了对乳酸的广泛研究，使人们认识到乳酸在细胞代谢和信号传导等多种生物过程中的关键作用。2019 年，赵英明教授团队在人乳腺癌 MCF-7 细胞中发现了乳酰辅酶 A 介导的组蛋白 L - 赖氨酸乳酸化（Kla），并证实其参与基因表达调控，该修饰通过免疫印迹和同位素标记实验得到确认，且源于细胞内糖酵解。
乳酸化修饰存在赖氨酸 L - 乳酸化（Kl-la）、ε-(羧乙基)- 赖氨酸（Kce）和 D - 乳酰 - 赖氨酸（Kd-la）三种立体化学形式。Kl-la 是由乳酰辅酶 A 介导的主要乳酸化形式，受葡萄糖浓度和糖酵解水平紧密调控。这种修饰存在于多种细胞区室，其蛋白质底物具有广泛多样性，可靶向核组蛋白和细胞质非组蛋白。自 2019 年以来，组蛋白乳酸化研究广泛开展，其对染色质结构的改变影响基因表达，在多种疾病如癌症、神经精神疾病和心血管疾病的发生发展中起关键作用 。例如，H4 赖氨酸 12 乳酸化（H4K12la）可通过促进衰老相关基因表达诱导平滑肌细胞衰老，加速动脉粥样硬化。随着研究进展，非组蛋白靶点也逐渐被鉴定出来，它们对参与代谢途径的酶有明显偏好。非组蛋白乳酸化可影响靶蛋白的空间定位、构象等特征，调节蛋白质 - 蛋白质相互作用的稳定性，最终改变其功能状态。通过构建 L - 乳酸钠衍生物，众多潜在的非组蛋白位点被识别，进一步证实了其在组蛋白之外的重要意义。此外，近期研究首次揭示鸟苷三磷酸（GTP）特异性 SCS（GTPSCS）和乙酰辅酶 A 合成酶 2（ACSS2）负责合成乳酰辅酶 A，二者分别在 P300 和 KAT2A 的协助下参与组蛋白乳酸化，在胶质瘤发展中发挥重要作用，这一发现阐明了乳酸化修饰前体的合成机制，是乳酸化研究的重要里程碑。
酶介导的赖氨酸乳酸化
酶介导的乳酸化过程需要特定的调节酶，即 “书写器（writers）”、“擦除器（erasers）” 和 “阅读器（readers）”，它们分别负责乳酸化修饰的添加、乳酰基的去除及其空间分布的调控。L - 乳酸作为乳酸化的底物，可通过两条途径供应：一是细胞外葡萄糖分子经糖酵解转化为丙酮酸，再由 LDH 催化形成 L - 乳酸；二是 L - 乳酸通过 MCT 直接转运进入细胞。GTPSCS 介导的 L - 乳酸转化为乳酰辅酶 A 是催化的前提条件，因为 “书写器” 无法直接将乳酸中的乳酰基添加到赖氨酸残基上。不过，近期发现丙氨酰 - tRNA 合成酶 1（AARS1）的新催化机制表明，L - 乳酸可转化为乳酰 - AMP，也能被 “书写器” 利用，说明它们并非完全依赖乳酰辅酶 A 。
“书写器” 负责给组蛋白和非组蛋白添加乳酸化修饰。众多酶可作为 “书写器”，大多数属于三个主要的经典组蛋白乙酰转移酶（ACT）家族，即 p300/CREB 结合蛋白（CBP）家族（包括 p300 和 CBP）、MYST 家族（包括 MOF、HBO1 和 Tip60）和 Gcn5 相关 N - 乙酰转移酶（GNAT）家族（包括 GCN - 5 和 Yiac），其他酶如 AARS 和 α - 微管蛋白 ACT1（ATAT1）也参与其中。目前研究表明，大多数 “书写器” 添加乳酰基的效率取决于细胞内乳酸合成水平和 MCT 将乳酸转运入细胞的能力，且以乳酰辅酶 A 为底物，但 AARS 例外，它依赖乳酰 - AMP 作为中间体，在 ATP 的协助下直接将乳酰基转移到靶蛋白的赖氨酸残基上。
p300 是研究最深入的 “书写器”，其催化的乳酸化主要促进基因转录，维持正常蛋白质结构和功能。在中枢神经系统（CNS）中，P300 及其同源蛋白 CBP 通过介导组蛋白和非组蛋白乳酸化参与多种疾病的生理过程。例如，在缺血性中风小鼠模型中，用 P300 小分子抑制剂预处理可显著降低乳酸化水平，有助于维持神经元活动，减轻缺血性脑损伤；在小胶质细胞中，乳酸化修饰对异常脑病理状态的影响具有两面性，视网膜小胶质细胞中 P300 介导的 YY1 乳酸化可通过促进某些炎症基因转录激活小胶质细胞，而在阿尔茨海默病（AD）中，P300/CBP 及其相关因子在小胶质细胞衰老过程中起促进作用，但在乳酸水平升高时，这种表观遗传修饰可诱导小胶质细胞向 M2 修复表型转变；在多形性胶质母细胞瘤（GBM）中，P300 介导的乳酸化过程深刻影响疾病进展和治疗策略，P300 介导的组蛋白乳酸化主要定位于转录起始位点，显著促进 U87MG GBM 细胞系的恶性程度，并促进 GBM 微环境中的免疫抑制，使用 P300 抑制剂消除组蛋白乳酸化可增强 GBM 免疫治疗效果。此外，近期发现 GTPSCS 是胶质瘤细胞核中的乳酰辅酶 A 合成酶，通过 P300 介导的组蛋白乳酸化促进胶质瘤进展 。总体而言，P300 介导乳酸化修饰的机制仍需进一步研究，其过程涉及复杂的调控网络，组蛋白伴侣 ASF1A 已被确定为协助 P300 催化 H3K18 乳酸化的辅助因子，表明 P300 介导的乳酸化过程并非孤立，其调控因子值得深入研究。在疾病治疗方面，调节病理状态下的乳酸化水平是一种潜在策略，但需考虑如何平衡乳酸浓度与 P300 的催化作用，因为在某些疾病如胰腺癌和心力衰竭中，仅调节 P300 无法逆转乳酸水平变化带来的影响。
“擦除器” 指去除赖氨酸残基上乳酸化修饰的酶，哺乳动物中常见的组蛋白去乙酰化酶（HDAC）是去乳酸化酶，可有效去除 Kl-la 和 Kd-la 修饰。哺乳动物去乙酰化酶分为锌依赖性 HDAC 1 - 11（I、II 和 IV 类 HDACs）和 NAD 依赖性 sirtuins（SIRT）1 - 7（III 类 HDACs）两个主要家族。最初认为 HDACs 主要靶向组蛋白，而 sirtuins 对细胞质或细胞核内的非组蛋白成分有明显偏好，二者具有互补功能，但 sirtuins 在细胞水平上也参与组蛋白乳酸化的去除。Yruela 等人首次发现 HDAC1 - 3 在细胞和体外纯化蛋白中均具有强大的去乳酸化活性，尤其是对 Kd-la。虽然 HDACs 更常去除 Kl-la 修饰，但与 Kd-la 相比，去除 Kl-la 可能涉及特定机制，并取决于细胞核内不同物质的交联 。
“擦除器” 的调节对 CNS 的发育和功能具有重要意义。抑制 HDAC1 - 3 可调节小鼠神经发育过程中的神经元身份，激活转录。在胚胎发育过程中，H3K9 巴豆酰化（H3K9cr）、H3K9 乙酰化（H3K9ac）和 H3K18la 在基因组中动态变化，与其他 PTM 修饰共同决定染色质可及性和神经元命运。此外，SIRT2 对 H4K8 的去乳酸化可抑制神经胶质瘤细胞。HDACs 和 SIRTs 通过去除乳酸化修饰，与 “书写器” 共同调节 CNS 中的乳酸化水平，它们之间的平衡对正常脑细胞的基因表达和蛋白质稳定性至关重要。
“阅读器” 是调节和识别乳酸化修饰的酶，目前这方面的研究相对较少。当前对 “阅读器” 的研究主要集中在其在肿瘤进展中的作用，如在结直肠癌和宫颈癌中 。在神经系统中，“阅读器” 的功能也逐渐被揭示。研究表明，蛛网膜下腔出血（SAH）后星形胶质细胞的 H4K8la 水平受含溴结构域蛋白 4（BRD4）调节，沉默 BRD4 会显著影响 H4K8la 水平，免疫沉淀实验直接证明了它们之间的相互作用。鉴于 BRD4 能够与增强子和组蛋白乙酰化标记相互作用，对基因转录产生强大的调控作用，它可能是这一过程中的潜在 “阅读器”。“阅读器” 与 “书写器” 和 “擦除器” 共同影响细胞中乳酸化修饰的动态平衡，在细胞活动调节中发挥重要作用，该领域仍有许多研究空白有待填补。
非酶促赖氨酸乳酸化
非酶促乳酸化过程涉及乳酰谷胱甘肽（LGSH）与赖氨酸残基的相互作用。Gaffney 等人首次证实了乳酰赖氨酸的自发掺入，该过程由 LGSH 和 GLO2 精细调节。与 Kl-la 相比，Kd-la 更容易发生由 LGSH 介导的自发乳酰基添加。Zhang 等人的研究进一步支持了这一观点，他们发现破坏 GLO 途径会特异性地破坏 Kce 和 Kd-la 的产生，而乳酰辅酶 A 的生成似乎与 Kl-la 呈正相关。
乳酸化测量和鉴定的方法学
研究乳酸化修饰需要多种技术方法和检测手段来阐明其复杂的生化代谢途径和调控机制。质谱（MS）是常用的高灵敏度经典方法之一，它将蛋白质化学裂解为肽段进行特征峰分析。2019 年，Zhang 等人对 MCF-7 细胞中组蛋白衍生的肽段进行高效液相色谱（HPLC） - 串联质谱（MS/MS）分析，意外发现了与赖氨酸残基添加乳酰基引起的质量位移相同的现象，该方法不仅能确认赖氨酸修饰的存在，还能识别特定的修饰位点。
除 MS 外，使用抗乳酸化抗体是另一种成熟的检测方法。抗体通常分为针对所有乳酸化修饰的泛 Kla 抗体和针对特定位点的抗体，如抗 H3K18la 抗体。通过特异性识别乳酸化位点并结合免疫荧光染色，可检测靶蛋白上的乳酸化修饰，并在组织中进行精确定位。在研究眼黑色素瘤发生过程中乳酸化修饰的作用时，研究人员利用泛 Kla 抗体和 DAPI 对眼黑色素瘤组织和正常黑素细胞组织进行免疫荧光染色，清晰地显示出眼黑色素瘤组织中乳酸化水平升高 。
蛋白质组学和生物信息学分析常结合使用，以鉴定候选基因，探索乳酸化在不同细胞类型和组织中的功能。通过在相关数据库中对与乳酸化修饰相关的代谢途径和信号通路进行富集分析，研究人员可以推断这种 PTM 对靶蛋白的影响。例如，Yao 等人在研究乳酸化在脑缺血 - 再灌注损伤（CIRI）中的关键作用时，首先通过蛋白质组学鉴定出各种蛋白质中上调和下调的乳酸化位点，随后在数据库中探索差异表达蛋白涉及的生物学途径，最终阐明了乳酸化修饰的潜在影响。
未来，随着人工智能（AI）的发展，识别 PTM 的准确性、速度和可扩展性将不断提高。AI 算法，尤其是机器学习模型，能够分析大量数据集，识别传统方法难以检测到的模式和关联，有助于更高效地发现乳酸化位点，加深对其在各种疾病中功能作用的理解，并推动新治疗策略的开发。
蛋白质乳酸化在脑健康与疾病中的作用
神经退行性疾病
AD 的病理特征包括淀粉样 β（Aβ）积累、tau 蛋白聚集、神经炎症和年龄相关的神经元变性。葡萄糖代谢受损是 AD 的关键特征，通常在 Aβ 沉积后出现，神经元中的这种代谢损伤直接破坏 OXPHOS，导致乳酸水平升高和乳酸化增加 。星形胶质细胞通过 ANLS 在维持神经元正常生理功能中起关键作用，其糖酵解失调是 AD 中神经元损伤的重要起始因素。此外，小胶质细胞和星形胶质细胞的炎症会损伤神经元，诱导氧化应激，加剧 AD 进展。近期研究发现，与代谢重编程和小胶质细胞急性炎症相关的淀粉样蛋白与糖酵解激活密切相关，糖酵解激活直接刺激小胶质细胞激活。从 OXPHOS 到糖酵解的代谢转变会提高组织乳酸水平，为 AD 中的乳酸化奠定基础。乳酸化相关基因如 ARID5B、SESN1 和 XPA 已被确定为 AD 病理的关键调节因子。
Pan 等人发现，在 5XFAD 转基因 AD 小鼠模型中，乳酸介导的海马 H4K12la 表达在 Aβ 斑块周围的小胶质细胞中显著升高，这一过程通过在糖酵解相关基因丙酮酸激酶 M2（PKM2）的转录起始位点富集，进一步导致乳酸积累，突出了糖酵解 / H4K12la/PKM2 反馈回路在 AD 进展中的重要作用。牙龈卟啉单胞菌可表达类似微小 RNA 的小 RNA（msRNAs），调节宿主基因表达，转染 msRNA P.G_45033 的巨噬细胞糖酵解水平增强，组蛋白 Kla 水平升高，牙周组织中 Aβ 积累，这些 Aβ 可能穿过血脑屏障进入大脑 。此外，关键 TCA 循环酶异柠檬酸脱氢酶 3β（IDH3β）活性降低会导致乳酸积累和 H4K12、H4K8 和 H3K18 等位点的组蛋白乳酸化，转录因子 PAX6 作为 IDH3β 的下游靶点，负向调控 IDH3β 表达，与 IDH3β、乳酸、乳酸化和 PAX6 形成正反馈回路。
葡萄糖代谢紊乱不仅在 AD 病理中出现，也与衰老相关，衰老常伴有代谢异常和生物能量失调，因此衰老与 AD 的发生密切相关。AD 患者的认知障碍与年龄相关的基因组损伤和线粒体功能障碍密切相关。近期研究广泛探讨了乳酸化与衰老的关系，除神经退行性疾病外，还涉及椎间盘退变和皮肤衰老等。在 AD 研究中，Wei 等人构建了衰老 FAD4T、AD 特异性 APP/PS1 和成熟小胶质细胞 Dox - BV2 等小鼠模型，发现 H3K18la 通过上调 Rela（p65）和 NFκB1（p50）的表达增强 NFκB 信号通路，最终触发衰老相关事件，包括衰老细胞分泌衰老相关分泌表型（SASP）因子如 IL - 6 和 IL - 8，这些因子与组织病理学特征密切相关，强调了乳酸 / H3K18la/NFκB/IL - 6 和 IL - 8 通路在衰老和 AD 中的关键作用。此外，泛 Kla 被发现可调节海马组织中 Kmt2a 基因的转录，可能通过改变突触蛋白表达破坏突触可塑性，影响小鼠的空间探索和记忆等认知功能。长期给予老年小鼠乳酸和高强度间歇训练（HIIT），可增加海马中几种血管生成相关通路蛋白的表达，增强线粒体活性和代谢相关物质，进一步说明乳酸和乳酸化对增强脑神经可塑性和减缓神经退行性变具有长期有益影响 。值得注意的是，海马是与 AD 关联最密切的脑区，几乎所有 AD 小鼠模型中都存在 Aβ 积累，上述研究进一步强调了其在衰老易感性和 AD 进展中的关键作用，是重要的记忆控制区域。
小胶质细胞是神经炎症的关键调节者，已证实其通过乳酸化修饰调节 AD 进展。tau 蛋白在 K677 位点的乳酸化可通过 MAPK 途径启动铁自噬和铁死亡，导致小胶质细胞激活和神经炎症。小胶质细胞的自噬由溶酶体系统介导，可有效清除 Aβ，Aβ 生成和清除的失衡是
