《Nature Communications》：SOD1 lactylation impair its enzymatic activity by conformational change to aggravate intervertebral disc degeneration
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乳酸盐积累如何加剧椎间盘退变（IVDD）的机制尚不明确。本研究揭示乳酸盐诱导的SOD1K123位点乳酰化修饰是IVDD恶化的关键。该修饰通过改变SOD1构象、削弱其酶活性，进而引发氧化损伤并激活p53通路。研究人员还发现小分子ZL-01可抑制该修饰，并通过II型胶原靶向肽修饰的细胞外囊泡递送有效缓解了雄性大鼠的IVDD，为IVDD治疗提供了新靶点与新策略。
背景与问题：
随着人口老龄化加剧，下腰痛已成为全球主要的公共卫生负担，而椎间盘退变是其主要病理基础。在退变的椎间盘中，缺氧和无糖酵解代谢使得髓核细胞大量产生乳酸，导致微环境中乳酸异常积聚。过去的研究已证实乳酸积累是椎间盘退变的一个标志和促进因素，但其具体的作用机制，特别是乳酸能否通过修饰蛋白质来发挥长期、稳定的调控功能，一直是领域内的未解之谜。蛋白质乳酰化作为一种新近发现的、由乳酸驱动的翻译后修饰，是否在椎间盘退变中扮演关键角色，是本研究旨在回答的核心科学问题。
关键研究方法：
本研究采用了多层次、多组学的技术体系来系统解析问题。首先，通过代谢组学（metabolomics）和乳酰化蛋白质组学（lactylation proteomics）描绘了椎间盘退变过程中的乳酰化修饰全景图，并结合单细胞RNA测序（single-cell RNA-sequencing）进行了关联分析。在机制探索上，综合运用了体外位点定向诱变（in vitro site-directed mutagenesis）、在体构建SOD1K123R点突变雄性大鼠模型，以及计算机分子动力学模拟（in silico molecular dynamics simulations）来验证特定修饰位点的功能。在治疗策略开发部分，通过筛选获得了小分子抑制剂ZL-01，并利用II型胶原靶向肽修饰的细胞外囊泡（extracellular vesicles）实现了对髓核细胞的靶向递送，最终在大鼠模型中验证了疗效。实验所用样本来源于椎间盘退变模型。
研究结果：
- 1.
椎间盘退变中的乳酰化修饰图谱与关键靶点鉴定
通过乳酰化蛋白质组学分析，研究人员首次绘制了椎间盘退变过程中的乳酰化修饰谱，即“乳酰组”景观。通过差异分析，他们从众多发生乳酰化修饰的蛋白质中，锁定超氧化物歧化酶1在赖氨酸123位点的乳酰化修饰是一个显著上调且可能与疾病进程密切相关的关键事件。
- 2.
SOD1K123la修饰导致其构象与功能异常
为了验证SOD1K123la的功能，研究团队展开了系列实验。体外位点突变实验表明，模拟持续乳酰化的突变体会损害SOD1清除超氧自由基的酶活性。更为重要的是，分子动力学模拟从原子层面揭示，发生在蛋白表面的K123位点乳酰化，会通过长程效应改变蛋白质核心区域的构象，特别是影响其与铜锌辅因子结合的关键结构域，从而在分子机制上解释了其酶活性丧失的原因。
- 3.
SOD1K123la通过诱发氧化损伤与激活p53通路加剧退变
在细胞功能层面，研究发现SOD1K123la所导致的酶活性丧失，使得髓核细胞内的活性氧（ROS）水平显著升高，造成氧化损伤。这种持续的氧化应激进一步激活了细胞内的p53信号通路，最终促进了髓核细胞的衰老和细胞外基质（如II型胶原和蛋白聚糖）的降解，模拟了椎间盘退变的核心病理表型。
- 4.
体内基因编辑模型证实SOD1K123la的致病角色
为了在活体动物中验证该修饰的必要性，研究人员构建了SOD1K123R点突变（该突变可模拟去乳酰化状态）的雄性大鼠。与野生型退变大鼠相比，突变大鼠的椎间盘退变程度显著减轻，髓核细胞中氧化损伤和p53通路激活也得到明显抑制，这直接证明了SOD1K123la是驱动椎间盘退变恶化不可或缺的关键环节。
- 5.
靶向抑制SOD1K123la为椎间盘退变提供治疗新策略
基于上述机制，研究团队进行了小分子抑制剂筛选，并发现了能够特异性抑制SOD1K123la修饰的化合物ZL-01。为了将药物精准递送至病变的髓核组织，他们利用髓核细胞外基质中富含的II型胶原的特性，设计了II型胶原靶向肽，并用其修饰细胞外囊泡作为药物载体。体内实验表明，这种靶向递送系统能有效将ZL-01富集于退变椎间盘，显著抑制SOD1乳酰化，缓解氧化损伤和细胞外基质降解，从而成功延缓了大鼠椎间盘退变的进展。
结论与意义：
本研究系统阐明了乳酸积累加剧椎间盘退变的一种全新表观遗传调控机制。研究发现，乳酸并非仅作为代谢废物，更能通过诱导核心抗氧化酶SOD1发生K123位点乳酰化修饰，以一种“代谢记忆”的方式，长期损害其酶活性。这导致了髓核细胞内持续的氧化应激和p53通路激活，从而驱动细胞退变和基质破坏。该工作不仅首次将蛋白质乳酰化修饰与椎间盘退变病因直接联系起来，扩展了人们对代谢物功能的认识，还为椎间盘退变的治疗提供了极具前景的新靶点（SOD1K123la）和新策略（小分子抑制剂联合靶向递送系统）。这项发表于《自然·通讯》的研究，为从“代谢-修饰-功能”角度理解并干预退行性疾病提供了重要范式。
