《Biomolecules》：Protein Lysine Lactylation in DNA Damage Response: Regulatory Mechanisms and Emerging Functions
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基因组DNA持续暴露于内源性和外源性应激，可导致多种类型的DNA损伤。DNA双链断裂(DSBs)是最具破坏性的DNA损伤类型之一，持续性断裂可损害基因组稳定性。针对此类损伤，细胞激活DNA损伤应答(DDR)通路，以识别损伤并促进其修复。赖氨酸乳酸化(Kla)是
基因组DNA持续暴露于内源性和外源性应激，可导致多种类型的DNA损伤。DNA双链断裂(DSBs)是最具破坏性的DNA损伤类型之一，持续性断裂可损害基因组稳定性。针对此类损伤，细胞激活DNA损伤应答(DDR)通路，以识别损伤并促进其修复。赖氨酸乳酸化(Kla)是近年来发现的一种赖氨酸酰化修饰，将细胞代谢与DNA修复联系起来。近期证据提示，Kla可能通过调节DNA修复蛋白的稳定性、相互作用和活性影响DDR。本综述讨论了对乳酸化在同源重组(HDR)和非同源末端连接(NHEJ)中作用认识的最新进展。研究人员重点讨论MRE11、NBS1、BLM和XLF的乳酸化及其在DNA修复和肿瘤化疗耐药中的作用。这些发现提示，乳酸化可通过调控关键DDR因子影响基因组稳定性、肿瘤进展以及对癌症治疗的反应。然而，乳酸化在DDR过程中如何被调控及其如何影响DNA修复仍 largely 不清楚。仍需进一步研究阐明DNA损伤诱导的乳酸化如何被调控、乳酸化写入酶(writers)和擦除酶(erasers)的功能，以及乳酸化在不同疾病背景中的意义。
1. 引言
基因组DNA是遗传信息的主要载体，其稳定性对发育、生殖及生理功能维持至关重要。DNA可受电离辐射、紫外辐射、化学毒物、活性氧(ROS)、复制应激和转录相关异常等影响，产生多种DNA损伤；修复失败可导致基因组不稳定和突变积累，促进肿瘤等疾病发生。细胞通过保守的DNA损伤应答(DDR)系统识别损伤、启动损伤信号、调控细胞周期并招募DNA修复因子，从而协调修复与复制、转录等过程。DNA双链断裂(DSBs)是最严重的损伤类型之一，可诱导强烈DDR；未能正确识别或修复DSBs可导致遗传信息丢失、重排及染色体异常。磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶(PIKK)家族中的ATM、ATR和DNA-PKcs在DDR信号中发挥核心作用，其中ATM和DNA-PKcs主要介导DSBs应答，ATR主要应答复制应激和持续性DNA损伤。蛋白翻译后修饰(PTMs)亦通过改变DDR信号、修复因子招募和DNA修复蛋白活性参与DDR调控。DSB发生后，MRE11–RAD50–NBS1(MRN)复合物作为早期感受器识别DNA末端并促进ATM招募与激活；H2AX在Ser139位点磷酸化形成γH2AX灶，作为DNA损伤标志并促进DDR因子招募。细胞根据细胞周期和损伤特征选择修复途径：同源重组(HDR)主要利用姐妹染色单体为模板，在S/G2期活跃，缺陷时细胞对电离辐射、DNA损伤化疗药和PARP抑制剂敏感；非同源末端连接(NHEJ)贯穿细胞周期，直接连接断裂末端，核心因子包括Ku70–Ku80、XLF和DNA连接酶IV，其缺陷可损害DSB修复并增加基因毒性应激敏感性，但通常不产生HDR缺陷典型的PARP抑制剂超敏。除磷酸化外，泛素化、SUMO化、Neddylation、PARylation、乙酰化和甲基化等PTMs亦调控DSB识别、损伤信号和DNA修复。赖氨酸乳酸化(Kla)作为一种新识别的赖氨酸酰化修饰，将细胞代谢状态与基因组稳定性联系起来，并可能通过调控DNA损伤信号、修复因子功能和修复效率参与DDR。
2. 赖氨酸乳酸化
乳酸曾主要被视为厌氧糖酵解副产物，现被认为参与能量代谢和细胞信号。糖酵解将葡萄糖转化为丙酮酸；有氧条件下丙酮酸进入线粒体并经三羧酸(TCA)循环氧化，支持氧化磷酸化和ATP生成。氧受限或线粒体功能受损时，NADH氧化下降，胞质NADH/NAD
+比值升高，乳酸脱氢酶(LDH)催化丙酮酸生成乳酸并再生NAD
+，维持糖酵解。乳酸代谢与蛋白乳酸化密切相关，乳酸可作为乳酰辅酶A(lactyl-CoA)形成的前体，为蛋白乳酸化提供乳酰基来源；此外，酶促和非酶促途径亦可影响Kla。
2.1 乳酸化的结构
赖氨酸乳酸化与经典乙酰化均属赖氨酸酰化，但结构不同。Zhao等利用分析化学和质谱鉴定出三种化学结构不同的赖氨酸修饰异构体：L-乳酰赖氨酸(K
L-la)、D-乳酰赖氨酸(K
D-la)和Nε-羧乙基赖氨酸(Kce)，其中K
L-la是组蛋白上主要乳酸化异构体。K
L-la水平受糖酵解活性等动态影响；K
D-la和Kce主要经非酶促反应产生，在糖酵解条件下通常丰度较低。L-乳酸化与糖酵解产生的L-乳酸密切相关，可能连接细胞代谢与蛋白调控，尤其在Warburg效应下；已有研究显示蛋白乳酸化可直接调控MRE11和NBS1等DNA修复蛋白，促进同源重组修复。D-乳酸化与乙二醛酶途径和D-乳酸代谢相关，其生物学作用尚待阐明，是否直接参与DDR和修复 largely 未知。Kce由赖氨酸ε-氨基与甲基乙二醛等反应形成，虽化学上不同于乳酰赖氨酸，但其与DNA损伤修复的相关性证据有限。
2.2 乳酸化的鉴定
乳酸化是赖氨酸ε-氨基共价添加乳酰基的PTM，可影响蛋白稳定性、亚细胞定位、蛋白–蛋白相互作用和转录调控。乳酸化最初在组蛋白上发现，与染色质结构和基因转录相关；后续研究显示其亦发生于代谢酶和信号蛋白等非组蛋白，调节蛋白活性、稳定性和分子互作。2019年Zhao等首次报道组蛋白赖氨酸乳酸化，鉴定出H3K18la、H3K23la、H3K27la、H4K8la和H4K12la等28个位点，其中H3K18la被进一步表征为转录相关标志；糖酵解产生的乳酸可促进组蛋白乳酸化，将修饰与代谢状态联系。巨噬细胞极化模型中，组蛋白乳酸化在M1活化晚期增加，并与Arg1等组织修复相关基因表达增强相关。随质谱和化学蛋白质组学发展，非组蛋白Kla位点在细胞核、胞质和线粒体等被不断发现。LDHA在K81和K318位点乳酸化可增强酶活性，增加乳酸产生和整体蛋白乳酸化，提示LDHA活性、乳酸产生与蛋白乳酸化间存在正反馈；质谱和实验验证还鉴定FEN1、XRCC5和XRCC6等DNA修复相关蛋白乳酸化，LDHA依赖的蛋白乳酸化与FEN1–RAD1–RAD9A–HUS1及XRCC5–XRCC6复合物形成增强相关，支持DNA修复并参与肺腺癌细胞顺铂耐药。
2.3 赖氨酸乳酸化的调控机制
赖氨酸乳酸化是动态可逆的PTM，其调控涉及写入酶(writers)、擦除酶(erasers)和阅读蛋白(readers)。尽管乳酸化不同于经典乙酰化，p300及部分去酰化酶等乙酰化调控酶亦被报道介导乳酸化或去乳酸化。
2.3.1 写入酶
Kla可通过酶促和非酶促机制建立。目前证据支持至少两条酶促机制：一是赖氨酸酰基转移酶将lactyl-CoA的乳酰基转移至赖氨酸残基；二是氨酰-tRNA合成酶(AARSs)利用L-乳酸和ATP形成乳酸–腺苷酸中间体，再将乳酰基转移至赖氨酸。p300/CBP是最早被提出的组蛋白乳酸化写入酶之一；随后KAT5/TIP60、KAT8/MOF、HBO1/KAT7、KAT2A/GCN5和KAT6A/MOZ等亦被报道参与乳酸化，AARS1/AARS2则构成不依赖lactyl-CoA的乳酸依赖途径。不同乳酸转移酶可能具有不同底物谱，但其底物选择决定因素尚不完全清楚；酶活性和底物选择可能依赖细胞代谢状态和应激条件。乳酸是Kla的重要代谢输入，但细胞内乳酸丰度并不必然与Kla水平成正比，Kla形成还受乳酰供体中间体可用性及相关酶影响。ACSS2–KAT2A和核内GTPSCS–p300等功能偶联提示lactyl-CoA可在局部生成和利用。Kla绝对占有率尚未在不同细胞类型和生理病理条件下系统表征，定量研究提示小鼠睾丸组蛋白多个H3/H4位点乳酸化 stoichiometry 较低。
2.3.2 擦除酶
去乳酸化酶作为“擦除酶”动态逆转蛋白乳酸化。多数已表征去乳酸化酶属于去酰化酶家族。Moreno-Yruela等系统筛选18种哺乳动物赖氨酸去酰化酶，发现I类HDACs(HDAC1–3)在体外对赖氨酸乳酸化具有显著去乳酸化活性，其中HDAC3在测试条件下对L-和D-乳酰赖氨酸去除效率最高；SIRT1–3亦具有针对组蛋白乳酸化位点如H3K18la和H4K5la的L-乳酰赖氨酸去乳酸化活性。HDAC2可去除三阴性乳腺癌中METTL3 K27乳酸化；HDAC8可去乳酸化PRMT1 K134/K145，缺氧下调HDAC8可增加PRMT1乳酸化并促进波形蛋白R64不对称二甲基化(aDMA)。SIRT1可去除α-MHC K1897乳酸化；SIRT3对H4K16la及PDHA1、CPT2等线粒体非组蛋白具有去乳酸化作用。SIRT6可直接结合ALKBH5并去除K284乳酰基，亦作为TBK1去乳酸化酶参与AARS1–SIRT6调控轴。SIRT4和SIRT5的去乳酸化证据有限且依赖实验背景；PARK7被鉴定为新的去乳酸化酶，可去除SF3B2 K280乳酰基。原核系统中YiaC和CobB分别作为乳酸化写入酶和去乳酸化酶。
2.3.3 阅读蛋白
含特定识别结构域的“阅读蛋白”介导乳酸化依赖的分子反应。已报道的组蛋白乳酸化阅读蛋白包括DPF2、BRG1和TRIM33。DPF2可特异性识别H3K14la，并在多个癌基因启动子区与该修饰共定位；BRG1与H3K18la互作，促进H3K18la在间充质–上皮转化(MET)相关基因启动子富集；TRIM33可序列特异性识别H3K18la和H4K5/8/12la。至于乳酸化DDR蛋白，目前鉴定到的底物包括MRE11、NBS1、BLM、XLF和XRCC1，其可能通过改变DNA结合活性、蛋白互作、稳定性和亚细胞定位参与DNA修复；但尚无充分证据表明存在专门阅读蛋白直接识别这些乳酸化DDR蛋白并介导其修复功能。
3. 乳酸化在DNA损伤应答中的作用
DNA损伤可影响细胞功能并促进衰老、肿瘤发生等；细胞通过修复通路维持基因组稳定性。DSBs尤其有害，未解决可导致染色体片段化和重排。乳酸化作为新兴PTM，可能通过调节DDR因子活性和DNA结合特性影响损伤识别和修复。
3.1 MRN复合物在同源重组修复中的乳酸化作用
DSB形成后，MRN复合物作为早期感受器参与DSB识别、ATM激活和修复启动；其由MRE11、RAD50和NBS1各两拷贝组成异源六聚体。MRN快速结合DNA末端，招募并激活ATM以启动下游磷酸化信号和细胞周期检查点，MRE11核酸酶活性亦直接参与HDR所需DNA末端加工。
3.1.1 MRE11乳酸化调控同源重组修复
MRE11具有Mn
2+依赖的3′–5′外切核酸酶和内切核酸酶活性，参与DSB末端加工和切除。研究显示MRE11受乳酸化调控，K673为主要DNA损伤诱导乳酸化位点；K673乳酸化显著增强MRE11 DNA结合能力，促进DSB末端切除和HDR修复。CBP作为乳酸转移酶促进MRE11乳酸化，SIRT1和SIRT2作为去乳酸化酶去除其乳酰基；ATM介导的CBP磷酸化对MRE11乳酸化是必需的。该机制提示乳酸化连接细胞代谢与HDR修复，代谢重编程可能改变DNA修复能力并参与肿瘤治疗耐药。
3.1.2 NBS1乳酸化促进MRN复合物组装和同源重组修复
NBS1是MRN复合物重要组分，参与将MRN招募并保留在DNA损伤位点。4D蛋白质组分析鉴定NBS1为乳酸化底物，NBS1 K388乳酸化在耐药肿瘤细胞中显著升高；该位点由TIP60催化、HDAC3去除，并可被乳酸积累和顺铂处理进一步增加。机制上，NBS1 K388乳酸化诱导NBS1构象变化，促进其与MRE11互作，增强MRN复合物组装和向DSB位点招募，进而促进HDR修复并提高肿瘤细胞对DNA损伤剂的耐受。LDHA依赖的乳酸产生通过TIP60促进NBS1 K388乳酸化，而非LDHA直接作为NBS1乳酸转移酶；胃癌新辅助化疗样本中LDHA高表达与NBS1乳酸化正相关并预后较差。
3.2 BLM乳酸化促进同源重组修复
BLM属于RecQ解旋酶家族，在DNA复制、DDR和同源重组修复中发挥作用，促进DNA末端切除和单链DNA中间体生成，并调控RAD51依赖的同源重组。研究显示BLM是AARS1介导乳酸化的底物，K24乳酸化促进BLM稳定性和DNA修复活性；AARS1敲低降低BLM乳酸化，过表达增加其乳酸化，且AARS1与BLM互作。BLM K24乳酸化抑制MIB1依赖的泛素化和降解，提高BLM稳定性并增强其与DNA2、TOP2A、RPA和RAD54等修复蛋白互作，促进HDR介导的DSB修复；K24R突变降低HR修复和DNA末端切除，乳酸处理增强野生型BLM功能而对K24R影响较小。蒽环类耐药肿瘤细胞中AARS1表达升高与BLM K24乳酸化和化疗耐药相关。
3.3 XLF乳酸化促进非同源末端连接修复
NHEJ由Ku70/Ku80异二聚体识别断裂DNA末端，随后招募DNA-PKcs等修复因子；XLF是NHEJ关键组分，促进DNA末端桥接和修复复合物组装。DSB形成后，ATM依赖的GCN5磷酸化增强GCN5与XLF互作，促进XLF K288乳酸化；该修饰增强XLF与Ku80互作并诱导Ku80 vWA结构域构象变化，提高Ku–XLF复合物稳定性并促进NHEJ修复。SIRT1可作为XLF去乳酸化酶去除K288乳酰基，从而动态调控NHEJ中的XLF乳酸化。
3.4 乳酸化在抗病毒免疫逃逸和DNA损伤应答中的双重调控
HCMV和HSV-1感染可诱导宿主及病毒蛋白乳酸化，抑制先天抗病毒免疫。IFI16 K90乳酸化损害活性DNA-PK向病毒DNA的招募，K90Q模拟物不影响IFI16表达、核定位及靠近病毒DNA的定位，但显著降低ICP4阳性病毒转录区中磷酸化DNA-PK(S2056)富集，提示该修饰主要干扰后续活性DNA-PK招募而非IFI16定位。该修饰损害IFI16介导的病毒基因抑制并减少宿主细胞因子产生。RBM14 K600乳酸化促进HCMV扩散并抑制先天抗病毒信号。上述结果提示乳酸化对DDR相关信号具有情境依赖效应：既可通过特定修复因子乳酸化促进DNA修复，也可通过IFI16–DNA-PK抑制抗病毒信号。
3.5 p53乳酸化连接代谢重编程与DNA损伤应答及细胞命运调控
p53是重要抑癌因子和转录因子，调控DNA修复、细胞周期等。肿瘤来源乳酸可作为p53天然抑制剂，通过促进其乳酸化发挥作用。全基因组CRISPR筛选鉴定AARS1为细胞内乳酸感受器和乳酸转移酶；AARS1介导p53 DNA结合结构域(DBD)内K120和K139乳酸化，损害DNA结合、降低液–液相分离并抑制转录活性，从而促进肿瘤发生。p53乳酸化在特定DNA修复过程中的作用尚不清楚，需进一步研究。
3.6 通过细胞代谢连接乳酸化与DNA损伤应答的分子机制
在胶质母细胞瘤(GBM)中，ALDH1A3高表达与PKM2互作并促进PKM2四聚化，增强其活性并增加肿瘤细胞乳酸水平；乳酸升高诱导DNA修复因子XRCC1 K247乳酸化，促进其与importin α互作和核定位，增强放疗和化疗所致DNA损伤修复并参与治疗耐药。PARP1自动修饰结构域内乳酸化与其ADP-核糖基化活性增加相关，鉴定到的K498、K505、K506、K508、K518、K521和K524等位点与负调控PARP1活性的乙酰化位点重叠，提示乳酸化可能通过影响重叠位点乙酰化功能调节PARP1活性，但直接DNA修复功能证据有限。RIG-I(DDX58)经PCAF介导乳酸化后，在importin-8依赖下发生核转位，与PARP1互作并抑制其活性，从而损害DNA损伤修复并增加肺腺癌细胞对PARP抑制剂敏感性。由此可见，乳酸化对DNA修复并非始终促进，其效应取决于被修饰蛋白、修饰位点和细胞条件；Kla与Kac等PTM间串扰及与泛素化在DDR蛋白中的潜在互作尚待阐明。乳酸/乳酸化相关信号还可能通过调节肿瘤免疫微环境间接影响DNA修复，但其机制联系仍需直接实验验证。
4. 总结与展望
近期研究 increasingly 表明，Kla作为新识别的蛋白PTM，是DDR的重要调控因素。DNA损伤事件包括DSBs可引起细胞乳酸化水平动态变化，Kla可能连接细胞代谢状态与基因组稳定性。然而，DNA损伤如何改变蛋白乳酸化及乳酸化在DDR中如何被调控仍不清楚。高分辨质谱、蛋白质组学和乳酸化组分析促进了更多乳酸化位点和功能底物的鉴定，提示乳酸化不仅与代谢状态变化相关，还可直接影响DNA损伤信号和DNA修复；其可能通过改变修复因子稳定性、互作和活性调控不同DNA修复通路，从而参与基因组稳定性维持。尽管取得进展，该领域仍处早期，关键问题包括：不同DNA损伤类型或内外源应激是否诱导不同乳酸化模式；乳酸化是否参与损伤识别或影响修复通路选择；不同乳酸转移酶和去乳酸化酶如何时空协同调控乳酸化；其底物特异性、调控机制和功能角色尚需在不同生理病理条件下明确。技术限制亦需考虑：抗Kla抗体特异性需谨慎评估，尤其以免疫印迹或免疫沉淀为主要检测手段时；质谱虽可鉴定大量乳酸化蛋白和位点，但区分K
L-la、K
D-la和Kce仍具挑战；赖氨酸替换突变体不能完全模拟天然乳酸化赖氨酸化学性质；已表征Kla阅读结构域有限，非组蛋白DDR蛋白是否存在类似识别机制仍不清楚。未来研究应确定不同DNA损伤和代谢条件是否导致不同Kla模式及其对DNA修复的差异影响，阐明DNA损伤后代谢信号如何调控Kla，以及单个Kla位点如何影响DNA修复效率和通路选择；明确相关酶、底物和调控机制将有助于确立Kla在DDR中的生理意义及疾病相关性。
