PFKM通过感知柠檬酸水平磷酸化组蛋白H3促进有丝分裂进程的机制研究

本研究揭示了糖酵解关键酶PFKM作为柠檬酸感受器的新功能。研究人员发现柠檬酸通过诱导PFKM四聚体解离为二聚体，使其获得激酶活性并磷酸化组蛋白H3S10位点，从而加速有丝分裂进程。该发现首次建立了代谢中间产物与表观遗传修饰的直接联系，为肿瘤治疗和T细胞功能调控提供了新靶点。

　　

细胞增殖是生命体维持稳态的核心过程，其精确调控依赖于细胞周期检查点和代谢信号的协同作用。近年来研究发现，代谢中间产物可作为"分子信号"调控细胞周期，但具体机制仍不清楚。特别是有丝分裂期(M期)柠檬酸水平显著升高这一现象，其生物学意义一直是个未解之谜。中国科学院生物化学与细胞生物学研究所的研究团队在《Nature Communications》发表的研究成果，首次揭示了糖酵解限速酶PFKM(6-磷酸果糖激酶肌肉亚型)作为柠檬酸感受器，通过磷酸化组蛋白H3调控有丝分裂进程的分子机制。

研究采用多组学联用技术：通过LiP-SMap(有限蛋白酶解-小分子图谱)筛选柠檬酸结合蛋白；分子对接和分子动力学模拟预测相互作用位点；构建基因编辑细胞系结合活细胞成像分析有丝分裂时长；体外激酶实验验证PFKM对组蛋白H3的磷酸化活性；小鼠移植瘤模型评估生理功能。关键样本包括HeLa宫颈癌细胞、U87胶质瘤细胞和原代T细胞。

高浓度柠檬酸促进有丝分裂进程
代谢组学分析发现，HeLa细胞有丝分裂期柠檬酸水平达到峰值。外源补充柠檬酸可剂量依赖性缩短细胞有丝分裂时长，而敲除柠檬酸合成酶(CS)则延长有丝分裂进程。这些结果表明柠檬酸水平与有丝分裂进程存在直接关联。

PFKM是柠檬酸的直接感受器
通过LiP-SMap技术鉴定出468个柠檬酸结合蛋白，其中PFKM含有3个保守结合肽段。分子动力学模拟显示柠檬酸主要结合于PFKM第604-617位氨基酸区域，关键位点K617的突变显著削弱了二者相互作用。功能实验证实，PFKM K617A突变体丧失了柠檬酸促进有丝分裂的能力，但不影响其糖酵解活性。

PFKM磷酸化组蛋白H3S10
PFKM缺失导致组蛋白H3S10磷酸化(H3S10ph)水平降低，这是有丝分裂的标志性事件。意外发现PFKM可直接与核小体结合，体外激酶实验证实PFKM能磷酸化组蛋白H3S10，且该活性不依赖经典的有丝分裂激酶Aurora B。结构模拟显示，二聚体PFKM的催化中心与H3S10空间构象完美匹配。

柠檬酸诱导PFKM构象变化
柠檬酸通过破坏R603-E647盐桥促使PFKM四聚体解离为二聚体。构建的PFKM F639L突变体模拟二聚体状态，表现出更强的H3结合能力和激酶活性。这表明柠檬酸通过变构调节赋予PFKM非经典功能。

生理功能验证
在胶质瘤和结直肠癌模型中，破坏PFKM-柠檬酸(PFKM K617A)或PFKM-组蛋白(PFKM L79A)相互作用显著抑制肿瘤生长。在T细胞中，柠檬酸同样通过PFKM依赖的机制促进增殖。值得注意的是，肿瘤细胞中PFKM表达水平和柠檬酸含量均显著高于活化T细胞，提示选择性干预的可能性。

该研究首次阐明代谢酶PFKM的双重功能：既作为糖酵解关键酶，又作为蛋白激酶直接修饰组蛋白。这一发现突破了传统认知，建立了代谢-表观遗传-细胞周期调控的完整通路。从转化医学角度看，靶向PFKM的激酶活性而非代谢活性，可能实现选择性抑制肿瘤细胞而不影响正常免疫功能的治疗策略。此外，研究还提示柠檬酸预处理可增强CAR-T细胞的抗肿瘤活性，为肿瘤免疫治疗提供了新思路。这些发现为理解细胞周期调控的代谢基础开辟了新方向，也为相关疾病治疗提供了潜在靶点。