乳酸化修饰：癫痫发病新机制与靶向治疗策略

本研究系统综述了乳酸化（lactylation）作为一种新型表观遗传修饰在癫痫发病中的作用机制，揭示了其通过调控神经炎症、能量代谢紊乱和突触可塑性等过程参与癫痫发生发展，并探讨了靶向乳酸化的干预策略，为癫痫治疗提供了新视角。

　　

癫痫是一种以神经元异常同步放电为特征的慢性脑疾病，其发病机制复杂，传统研究多聚焦于离子通道异常、突触可塑性改变及神经递质失衡。近年来，代谢紊乱在癫痫中的作用日益受到关注，尤其是乳酸代谢异常。乳酸曾被视为糖酵解的终产物，如今却被认为是一种动态信号分子，通过乳酸化修饰（lactylation）直接调控基因表达和蛋白功能，成为连接代谢与表观遗传的关键桥梁。

乳酸化是一种由乳酸介导的新型翻译后修饰（PTM），通过将乳酸基团共价连接到组蛋白或非组蛋白的赖氨酸残基上，动态调控靶蛋白功能和基因表达。2019年，张等首次证实乳酸通过赖氨酸乳酸化（Kla）调控染色质重塑，揭示了代谢物直接影响表观遗传调控的新机制。癫痫发作时，脑内乳酸水平显著升高，乳酸化可能通过调控神经炎症、能量代谢失衡、神经递质紊乱和突触可塑性等在癫痫病理机制中发挥关键作用，成为癫痫发病中重要的代谢-表观遗传交汇点。

本研究由国内团队完成，发表于《Neurobiology of Disease》。研究人员通过系统文献综述，整合分子机制、细胞实验、动物模型及临床研究数据，深入探讨了乳酸化在癫痫中的作用及其干预策略。关键技术方法包括：乳酸化位点质谱分析（鉴定9275个乳酸化位点）、体外细胞模型（如神经元、小胶质细胞、星形胶质细胞）、癫痫动物模型（如颞叶癫痫模型、 kainate模型）、分子生物学技术（Western blot、免疫组化、染色质免疫沉淀）、乳酸代谢调控（LDH抑制剂、MCT抑制剂应用）以及表观遗传分析（组蛋白修饰检测、基因表达调控研究）。

1. 乳酸化的机制和生物学特征

1.1. 乳酸化的分子机制

乳酸化是由乳酸介导的赖氨酸特异性PTM，乳酸通过酯键共价连接到靶蛋白赖氨酸残基的ε-氨基上，形成Kla。在糖酵解过程中，葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白（GLUTs）进入细胞并代谢为丙酮酸。在基础生理条件下，丙酮酸主要进入线粒体转化为乙酰辅酶A参与三羧酸（TCA）循环。但即使在常氧条件下，部分丙酮酸在胞浆中被乳酸脱氢酶（LDH）还原为乳酸，维持氧化磷酸化和有氧糖酵解之间的动态平衡。乳酸通过单羧酸转运蛋白（MCT1/4）穿梭入核，随后被酰基辅酶A合成酶短链家族成员2（ACSS2）催化形成乳酸辅酶A，再由组蛋白乙酰转移酶如E1A结合蛋白p300（p300）和CREB结合蛋白（CBP）转移到组蛋白或非组蛋白的赖氨酸残基上，将代谢状态与表观遗传调控联系起来。在缺氧或高糖酵解条件下，核内乳酸积累驱动p300介导的乳酸化，将代谢信号转化为表观遗传指令。

1.2. 乳酸化的生物学特征

1.2.1. 代谢敏感性

乳酸化水平与细胞能量状态动态耦合。研究表明，在巨噬细胞极化过程中，组蛋白H3赖氨酸18乳酸化（H3K18la）在6小时内响应乳酸浓度变化，动态调控促炎和抗炎基因表达。在心肌细胞中，缺血30分钟内乳酸升高驱动H3K18或α-肌球蛋白重链（α-MHC）乳酸化，而抑制LDH或MCT1/4同时降低乳酸水平和乳酸化。在3T3-L1脂肪细胞中，外源性乳酸处理2小时诱导过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）乳酸化，促进脂质积累。在大鼠皮层神经元中，5分钟电刺激触发乳酸快速升高，30分钟内脑源性神经营养因子（BDNF）基因启动子的H3K18la水平翻倍；敲除LDH或抑制MCT2可迅速消除乳酸化。这些发现凸显了乳酸化在组织特异性调控中的广泛功能，使其成为代谢-表观遗传网络的核心节点。

1.2.2. 底物多样性

乳酸化靶向广泛的组蛋白和非组蛋白，展示了跨区室、多维度的调控网络。组蛋白修饰主要作用于核DNA相关组蛋白，通过改变蛋白电荷性质发挥调控功能。例如，H3K18la位点通过电荷中和调控染色质可及性，H3K9la可能通过修饰组蛋白-DNA相互作用影响基因沉默或激活，H4K12la可能参与DNA损伤修复过程。非组蛋白乳酸化在多个细胞区室中发挥重要作用。在细胞核中，乳酸化主要调控转录因子活性。例如，丙氨酰-tRNA合成酶1（AARS1）介导的肿瘤蛋白p53乳酸化抑制其抑癌功能，而巨噬细胞中高迁移率族蛋白B1（HMGB1）乳酸化加剧脓毒症。线粒体乳酸化特异性靶向关键代谢酶。例如，缺氧诱导的丙酮酸脱氢酶E1α亚基（PDHA1）乳酸化抑制能量代谢，肉碱棕榈酰转移酶2（CPT2）乳酸化损害脂肪酸氧化。在质谱鉴定的9275个乳酸化位点中，9256个位于非组蛋白上，表明乳酸化位点的广泛性及其靶向特异性与生物学效应密切相关。这些发现证明，乳酸化通过区室化修饰网络将代谢信号与表观遗传调控和能量代谢耦合，为理解代谢-表观遗传相互作用提供了新的分子视角。

1.2.3. 酶依赖性

赖氨酸乳酸化修饰的动态平衡由两类关键酶协调调控。p300/CBP乙酰转移酶作为“书写器”催化乳酸化修饰，而组蛋白去乙酰化酶1-3（HDAC1-3）和sirtuins 1-3（SIRT1-3）作为“擦除器”逆转这一过程。具体而言，HDAC1-3主要去除核蛋白上的乳酸化标记，而SIRT3主要调控线粒体蛋白的乳酸化状态。该系统受乳酸浓度和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺/NADH）比率等代谢信号精确调控，为靶向治疗干预提供了分子基础。

1.2.4. 与其他PTMs的相互作用

乳酸化通过与其他PTMs的动态相互作用形成复杂调控网络。乳酸化与乙酰化竞争相同赖氨酸残基，但导致的修饰引起染色质结构或蛋白功能的相反变化。巴豆酰化（crotonylation）涉及巴豆酰基从酰基辅酶A供体转移到赖氨酸侧链的ε-氨基上，在基因调控和染色质生物学中起关键作用。与乳酸化类似，它通过改变组蛋白电荷状态调控基因表达。两种修饰共享某些催化酶（如p300），并通过竞争酰基辅酶A底物维持动态平衡。在肿瘤细胞中，乳酸富集的微环境抑制巴豆酰化同时促进乳酸化，从而驱动免疫抑制基因表达。乳酸化通过修饰蛋白构象和暴露磷酸化位点增强激酶活性。在金黄色葡萄球菌感染期间，H3K18la上调特定靶基因包括精氨酸酶1（Arg1）并促进信号转导和转录激活因子3（STAT3）磷酸化。在载脂蛋白C-II（APOC2）的K70位点，乳酸化通过抑制泛素化稳定蛋白水平。这些蛋白修饰之间的复杂相互作用代表了未来研究的前沿领域。

2. 乳酸化在癫痫发生中的作用：机制与通路

2.1. 乳酸化通过神经递质机制调控癫痫发生

癫痫的一个关键病理特征是兴奋性谷氨酸和抑制性γ-氨基丁酸（GABA）神经传递平衡的破坏。突触间隙中过多的谷氨酸导致神经元过度兴奋，而γ-氨基丁酸能（GABAergic）信号受损削弱抑制效果，两者均促进癫痫样放电。在谷氨酸调控方面，星形胶质细胞通过谷氨酸转运蛋白（GLT-1）和谷氨酰胺合成酶（GS）控制谷氨酸清除和回收，该过程功能障碍是癫痫兴奋毒性的关键机制。尽管没有直接证据表明乳酸修饰调控GLT-1，但多项研究发现异常乳酸代谢可能影响GLT-1功能。剧烈运动后，辅助运动区GLT-1表达降低，伴随细胞外谷氨酸增加和乳酸水平变化。高脂饮食（HFD）下调星形胶质细胞中GLT-1表达。生酮饮食（KD）作为一种特殊类型的HFD，已被证明具有抗癫痫作用。尽管生酮饮食可能下调GLT-1表达，但β-羟基丁酸（BHB）可通过提供替代能量和抑制神经元兴奋性来抵消GLT-1减少的负面影响。这些发现表明，乳酸修饰可能通过调控GLT-1的表达或功能参与癫痫发病机制。

在GABA能系统中，白细胞介素-1β（IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）等炎症因子通过调控GABA受体亚基表达或突触定位加剧抑制性信号受损。研究发现，在慢性颞叶癫痫模型中，海马乳酸脱氢酶A（LDHA）表达增加伴随乳酸水平升高。临床研究进一步证实，慢性神经元过度激活上调LDHA表达。IL-1β和TNF-α释放在乳酸积累条件下增强。LDHA介导的乳酸积累可能通过促进神经炎症破坏神经递质平衡。进一步研究揭示，H3K18la通过表观遗传调控促进小胶质细胞M1极化和TNF-α释放，加剧神经炎症反应。TNF-α下调γ-氨基丁酸A型受体（GABAARs）的表面表达，并调控星形胶质细胞释放谷氨酸，改变局部兴奋性神经递质浓度，降低抑制性突触活动。这些变化可能进一步加剧癫痫发生过程，并可能导致“神经炎症-兴奋毒性”恶性循环。

2.2. 乳酸化通过神经炎症调控癫痫发生

癫痫发作期间，异常高频神经元放电诱导局部缺氧和乳酸积累。乳酸通过单羧酸转运蛋白（MCTs）分泌到细胞外空间。小胶质细胞主要通过MCT1摄取乳酸后被激活，释放促炎细胞因子如白细胞介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）。这些细胞因子直接增强N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）活性同时抑制GABA能传递，从而增加神经元兴奋性。此外，它们与星形胶质细胞上的IL-1受体（IL-1R）、TNF受体（TNFR）和IL-6受体（IL-6R）结合，激活包括NOD样受体蛋白3（NLRP3）炎症小体、核因子κB（NF-κB）、Janus激酶2/信号转导和转录激活因子3（JAK2/STAT3）在内的信号通路。这促进星形胶质细胞进一步释放促炎介质，形成神经炎症的正反馈循环，共同加剧癫痫发生。

近期研究发现，乳酸化修饰通过动态修饰组蛋白和非组蛋白驱动神经炎症。例如，在缺氧条件下，小胶质细胞中p53乳酸化可能通过上调IL-1β、TNF-α和IL-6表达增强脂多糖（LPS）诱导的促炎激活。转录因子阴阳1（YY1）乳酸化通过激活炎症基因如信号转导和转录激活因子3（STAT3）、CC motif趋化因子配体5（CCL5）和干扰素调节因子1（IRF1）促进小胶质细胞释放促炎细胞因子。张等首次报道组蛋白乳酸化，证明乳酸积累通过p300介导的H3K18la表观遗传调控炎症基因，直接驱动神经炎症信号。核因子κB（NF-κB）激活促进神经炎症，炎症细胞因子增加神经元兴奋性，引发癫痫发作。在小胶质细胞中，H3K18la激活NF-κB通路，上调衰老相关分泌表型（SASP）关键促炎因子IL-6和IL-8的分泌，从而加剧脑老化和阿尔茨海默病进展。临床研究证实，高迁移率族蛋白B1（HMGB1）通过结合Toll样受体4（TLR4）和晚期糖基化终末产物受体（RAGE）激活NF-κB信号通路，促进小胶质细胞激活和炎症细胞因子释放，从而参与癫痫发病机制。乳酸化调控HMGB1释放和功能，进一步激活小胶质细胞并促进IL-1β和TNF-α分泌。通过NF-κB通路激活，乳酸化可能建立“神经炎症-神经元过度兴奋-癫痫发作”的恶性循环。

2.3. 乳酸化通过突触可塑性失调调控癫痫发生

突触可塑性是神经系统适应环境变化的关键机制，主要涉及长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）。在生理条件下，谷氨酸通过激活NMDA受体诱导LTP，增强突触传递效能，而GABA通过GABA_B受体激活诱导LTD，降低突触传递效能。突触可塑性异常在癫痫发病中起关键作用，其特征是谷氨酸能突触过度兴奋和GABA能抑制减弱。

突触相关蛋白是调控突触传递和可塑性的关键分子，其失调是癫痫发生的核心。例如，突触前蛋白Synapsin-1的突变或异常表达增加突触前谷氨酸释放，促进神经元过度兴奋。类似地，突触后支架蛋白突触后密度蛋白95（PSD-95）的失调导致突触后受体功能障碍，损害突触可塑性。此外，NMDA受体亚基GluN2B的上调与癫痫相关突触可塑性异常密切相关，进一步加剧神经元兴奋性失衡。

神经元兴奋活动，如电刺激或癫痫发作，升高乳酸水平，诱导蛋白乳酸化，随后调控神经元代谢、突触可塑性和基因表达。研究表明，体育锻炼增强糖酵解活性，增加皮层乳酸水平。乳酸作为底物，通过乳酸化调控突触相关蛋白（如PSD-95和Synapsin-1）功能，从而增强突触可塑性（如LTP）。抑制乳酸产生或乳酸化逆转运动对突触可塑性的保护作用。此外，乳酸输注实验证实，乳酸化显著增强海马组织中突触相关蛋白（如BDNF和PSD-95）功能，促进突触可塑性。这些发现表明，乳酸化可能通过调控突触相关蛋白功能介导癫痫中的突触可塑性。

2.4. 乳酸化通过能量代谢机制调控癫痫发生

癫痫发作期间，神经元异常高频放电导致能量需求急剧增加，触发代谢重编程。神经元和星形胶质细胞通过加速糖酵解（Warburg效应）快速生成三磷酸腺苷（ATP），伴随显著乳酸积累。星形胶质细胞通过糖酵解产生乳酸并通过MCT1和MCT4释放到细胞外空间。神经元通过MCT2摄取乳酸，将其转化为丙酮酸，并利用三羧酸循环（TCA循环）生成ATP。小胶质细胞主要通过MCT1摄取乳酸，激活缺氧诱导因子1-α/核因子κB（HIF-1α/NF-κB）信号轴，从而调控神经炎症反应。尽管这种MCT介导的乳酸穿梭机制可以满足短期能量需求，但慢性激活导致线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）抑制、乳酸-丙酮酸比率失衡，并加剧神经元能量危机和氧化应激。乳酸积累诱导微环境酸化（pH降低），通过激活酸敏感离子通道1a（ASIC1a）和抑制电压门控钠（Nav）通道双向调控神经元兴奋性。酸性环境进一步降低γ-氨基丁酸A型（GABAA）受体介导的抑制，同时通过瞬时受体电位香草素1（TRPV1）通道激活增强神经元兴奋性，从而破坏神经网络稳态。

癫痫发作诱导局部缺氧激活HIF-1α，上调糖酵解通路增强LDHA活性并促进乳酸积累。除了作为代谢副产物，乳酸还作为表观遗传调节剂。HIF-1α上调H3K18la促进YTH N6-甲基腺苷RNA结合蛋白2（YTHDF2）表达，从而通过线粒体自噬介导的重编程调控代谢。LDHA不仅催化乳酸产生，还通过组蛋白乳酸化上调高迁移率族蛋白B1（HMGB1）表达，促进脑缺血再灌注损伤中的细胞焦亡。类似机制在胰腺导管腺癌（PDAC）细胞中得到验证，增强的糖酵解通过LDHA-H3K18la轴激活癌基因。在阿尔茨海默病模型中，小胶质细胞表现出增加的H4K12la，富集于糖酵解基因（如丙酮酸激酶M，PKM）启动子，形成H4K12la-PKM2正反馈循环，加剧小胶质细胞功能障碍。这些发现凸显了乳酸代谢与表观遗传调控在神经病理条件下的广泛交叉对话。临床研究表明，癫痫患者脑脊液乳酸水平与发作频率呈正相关。动物研究显示，癫痫持续状态（SE）使海马乳酸浓度增加3-5倍。当前研究的综合证据表明，癫痫发作增强糖酵解，导致乳酸和活性氧（ROS）水平升高。乳酸介导的乳酸化修饰通过表观遗传机制进一步上调糖酵解相关基因表达，形成代谢-表观遗传正反馈循环。该循环持续加剧线粒体功能障碍和ROS过度产生，最终导致不可逆的氧化损伤和神经元死亡。总的来说，该级联反应构成慢性癫痫进展的核心病理生理机制。

3. 靶向乳酸化的干预策略

作为新型翻译后修饰，乳酸化调控基因表达、突触可塑性和神经炎症，使其成为癫痫的潜在治疗靶点。以下总结几种干预策略：

3.1. 调控乳酸产生和代谢

乳酸化的核心底物是乳酸，因此调控乳酸产生和代谢是直接干预策略。LDH是催化丙酮酸转化为乳酸的关键酶。LDH抑制剂如Gossypol和FX11在肿瘤模型中显著降低乳酸水平和相关组蛋白乳酸化。研究表明，靶向抑制LDH可有效调控癫痫发作。临床研究证实，抗癫痫药司替戊醇及其衍生物通过抑制LDH产生异丁香酚发挥治疗作用，在癫痫kainate模型中显示出显著疗效。Rho等进一步证实了LDH抑制作为癫痫治疗策略的潜力。近期研究揭示，α-细辛醚衍生物具有双重LDH抑制和抗惊厥活性，而海马内给予LDH抑制剂草酸盐有效抑制颞叶癫痫发作。糖酵解是乳酸生成的主要途径。抑制关键糖酵解酶包括LDH、己糖激酶（HK）、丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）、丙酮酸激酶M2（PKM2）和6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3（PFKFB3）可有效减少乳酸产生。例如，PKM2抑制剂破坏糖酵解H4K12la-PKM2正反馈循环，降低乳酸和H4K12la水平，同时改善阿尔茨海默病小鼠模型的神经炎症和认知功能。单羧酸转运蛋白（MCTs）介导跨膜乳酸转运。AZD3965是一种双重MCT1/MCT2抑制剂，在肿瘤模型中显示出潜在疗效，可能通过阻断乳酸摄取降低乳酸化水平。

3.2. 靶向乳酸化酶

乳酸化的催化机制尚未完全阐明，但研究表明p300/CBP乙酰转移酶可能参与。作为已知的组蛋白乙酰转移酶，p300/CBP可能通过催化乳酸化调控基因表达。小分子抑制剂如C646可抑制p300/CBP活性并减少乳酸化。例如，C646通过抑制HMGB1乳酸化减轻肝缺血再灌注损伤的炎症反应。组蛋白去乙酰化酶（HDACs）和sirtuins（SIRTs）可能参与乳酸化的“擦除”。SAHA（一种HDAC抑制剂）和白藜芦醇（一种SIRT1激活剂）在各种疾病模型中显示出调控乳酸化的潜力。虽然SAHA增加组蛋白乙酰化并可能因此影响乳酸化，但HDAC抑制在活化CD8+ T细胞中升高H3K18la水平。值得注意的是，SAHA通过抑制LDHA活性和糖酵解改善脓毒症小鼠的炎症并提高生存率。然而，其背景依赖性效应可能矛盾地增强乳酸化，需要谨慎的治疗评估。

3.3. 调控乳酸化底物和效应分子

乳酸化上调促炎基因表达，神经炎症在癫痫中起关键作用。靶向炎症信号通路可能减轻癫痫发生过程。例如，IL-1β抑制剂如白细胞介素-1受体拮抗剂（IL-1Ra）在癫痫模型中显著降低发作频率和严重程度。乳酸化通过激活NF-κB通路驱动炎症反应。癫痫发作后，NF-κB通路在小胶质细胞和星形胶质细胞中显著激活。BAY 11-7082是一种NF-κB抑制剂，在癫痫模型中显示出抗炎和抗癫痫作用。此外，给予HMGB1抑制剂如甘草酸，或阻断HMGB1受体包括Toll样受体4（TLR4）和晚期糖基化终末产物受体（RAGE），可能减轻癫痫相关炎症和氧化损伤。

3.4. 代谢干预和饮食调控

代谢状态直接影响乳酸水平，使代谢干预和饮食调控成为调控乳酸化的间接策略。生酮饮食改变能量代谢途径，减少糖酵解和乳酸产生，可能降低乳酸化水平。生酮饮食在癫痫模型中显示抗发作作用，尽管其是否通过乳酸调控起作用尚不清楚。二甲双胍是一种常用抗糖尿病药物，通过抑制线粒体呼吸链复合物I减少乳酸产生，可能间接调控乳酸化。代谢干预调控乳酸化的精确机制仍未完全了解，需要进一步研究。

总的来说，通过多途径靶向抑制乳酸化的治疗策略显示出广阔的临床潜力。虽然现有研究证实了某些药物和干预措施对乳酸化修饰及相关癫痫发作的调控作用，但关键机制和转化问题仍未解决。需要进一步研究验证其在癫痫治疗中的治疗适用性。

结论与未来展望

乳酸化作为一种新兴的翻译后修饰机制，通过调控基因表达、突触可塑性和神经炎症在癫痫发生中起关键作用。本综述系统总结了其分子机制和潜在治疗策略，包括调控乳酸代谢、靶向乳酸化修饰酶、调控底物和效应分子以及代谢干预。癫痫动物模型的临床前研究表明，抑制LDH或MCTs显著降低发作频率和严重程度。关键的是，乳酸不仅仅是代谢副产物，还是重要的生理信号分子，需要精心平衡的治疗策略，调控乳酸化水平以控制发作，同时保留必要的乳酸介导的信号功能。

然而，这些发现转化为临床实践面临若干挑战，包括需要进行大规模、多中心临床试验确认疗效和安全性。此外，脑脊液（CSF）乳酸水平已被证明与癫痫患者的发作频率和严重程度呈正相关，未来研究应调查CSF或外周血中乳酸化生物标志物（如H3K18la）与临床表型（如耐药性、发作类型）之间的关联，以指导个性化治疗策略。开发乳酸化特异性抑制剂（如p300/CBP抑制剂）或激活剂（如SIRT1激活剂）可能提供新的治疗途径，而未来研究应探索将乳酸化靶向方法与常规抗癫痫药物结合以优化治疗效果。尽管存在挑战，靶向乳酸化修饰代表了开发创新癫痫治疗策略的有希望途径。