乳酸通过组蛋白乳酸化修饰调控红系祖细胞分化的分子机制研究

本研究揭示了乳酸在红系祖细胞分化中的关键调控作用。研究人员通过抑制糖酵解（2-DG处理）和外源添加乳酸（Na-La）调节细胞内乳酸水平，发现乳酸通过组蛋白H3K14乳酸化（H3K14la）修饰影响细胞周期相关基因（如CCNB1、CFL1、CENPA、GNAI2）的表达，从而调控红系祖细胞的自我更新与分化平衡。该研究为理解代谢重编程与表观遗传修饰在造血发育中的协同作用提供了新视角。

　　

在造血发育过程中，红系祖细胞如何平衡自我更新与分化一直是领域内的重要科学问题。传统研究多聚焦于转录因子和细胞因子的调控，而近年来代谢微环境对细胞命运的调控作用逐渐受到关注。乳酸作为糖酵解的关键代谢产物，其生物学功能已超越能量供应的范畴，但它在红系发育中的作用机制尚不明确。

郑州大学的研究团队在《iScience》发表的研究中，通过系统分析人脐带血来源CD34⁺造血干细胞的红系分化过程，发现糖酵解活性与乳酸水平呈阶段性下降趋势。研究人员采用糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）降低乳酸水平，或添加外源乳酸钠（Na-La）提高乳酸浓度，结合流式细胞术、CUT&Tag（靶向切割与标签化）测序和RNA-seq等技术，揭示了乳酸通过组蛋白乳酸化修饰调控红系分化的分子机制。

主要技术方法
研究使用人脐带血CD34⁺造血干细胞进行体外红系分化培养，通过流式细胞术分选CFU-E（红系集落形成单位）阶段细胞。采用比色法检测细胞内乳酸水平，Western blot分析组蛋白乳酸化修饰（Pan Kla、H3K14la、H3K18la），CUT&Tag技术绘制H3K14la的全基因组分布图谱，RNA-seq解析基因表达谱变化，并通过集落形成实验评估红系祖细胞功能。

研究结果

糖酵解抑制导致红系祖细胞增殖受损和细胞周期阻滞
RNA-seq分析显示，红系分化过程中糖酵解相关酶（如HK2、LDHA）表达逐渐降低，而氧化磷酸化相关酶（如OGDH）表达升高。2-DG处理使细胞内乳酸水平下降34.2%，导致细胞周期G₀/G₁期阻滞（EdU掺入实验证实），但不影响细胞凋亡。

乳酸水平影响红系祖细胞分化与集落形成能力
2-DG处理使CFU-E比例从25.3%降至13.2%，GPA⁺细胞比例增加18.9%，细胞体积减小，集落形成能力减弱。相反，Na-La处理使CFU-E比例升高，延迟分化，并促进集落形成。

乳酸直接调控组蛋白乳酸化修饰水平
组蛋白提取实验显示，红系祖细胞中Pan Kla和H3K14la修饰水平显著高于终末分化阶段。2-DG处理降低H3K14la修饰强度，而Na-La处理则增加其丰度。CUT&Tag分析发现，2-DG处理后61.33%的H3K14la峰消失于启动子区域，这些区域富集于造血、细胞周期和分裂相关通路。

乳酸化修饰通过调控基因表达影响红系分化
RNA-seq鉴定到2,615个差异表达基因（DEGs），其中下调基因富集于细胞周期（如CCNB1、CENPA）和分裂相关通路。启动子区H3K14la高密度基因的表达水平显著高于低密度基因，2-DG处理导致CCNB1、CFL1等基因的启动子区H3K14la修饰和表达同步降低。

结论与意义
该研究首次阐明乳酸-H3K14la轴在红系祖细胞命运决定中的调控作用：低乳酸水平通过减少H3K14la修饰，抑制细胞周期基因表达，促进分化；而高乳酸水平则维持祖细胞自我更新。这一发现为贫血等造血障碍疾病的代谢干预提供了新靶点，同时拓展了代谢物-表观遗传偶联调控细胞分化的理论框架。研究创新性地将糖酵解代谢流、组蛋白修饰与红系发育相联系，为理解生理和病理条件下的造血调控提供了新范式。