《Genes & Diseases》：Insights into recent findings and therapeutic opportunities of AARS1 as a lactyltransferase in cancer
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赖氨酸乳酸酰化（Lysine lactylation, Kla）是近年发现的蛋白质翻译后修饰，在癌症生物学中具有广泛意义。新兴证据表明，经典丙氨酰-tRNA合成酶（Alanyl-tRNA synthetase, AARS1）同时具备乳酸酰转移酶活性，其催化的赖
赖氨酸乳酸酰化（Lysine lactylation, Kla）是近年发现的蛋白质翻译后修饰，在癌症生物学中具有广泛意义。新兴证据表明，经典丙氨酰-tRNA合成酶（Alanyl-tRNA synthetase, AARS1）同时具备乳酸酰转移酶活性，其催化的赖氨酸乳酸酰化参与癌症进展。最新研究阐明了乳酸从代谢副产物向信号分子转化的机制，凸显AARS1在代谢重编程、肿瘤进展及免疫调控中的核心作用。深入解析AARS1介导的乳酸酰化底物、调控网络及在不同组织与疾病状态下的功能差异，将为开发靶向乳酸酰化通路的精准干预策略提供新视角。本综述整合了AARS1作为乳酸酰转移酶的新兴证据，评估其临床意义并提出针对AARS1相关癌症的治疗策略。
引言
Warburg效应是癌细胞的关键代谢特征，表现为有氧条件下偏好糖酵解并产生乳酸和三磷酸腺苷（ATP）。然而，越来越多的研究表明，癌细胞中大部分ATP仍通过氧化磷酸化（Oxidative phosphorylation, OXPHOS）生成。乳酸不仅是连接糖酵解与OXPHOS的核心枢纽，也是影响癌细胞分化与命运的信号分子，同时是近年发现的翻译后修饰——乳酸酰化的关键底物。蛋白质赖氨酸乳酸酰化在肿瘤起始与进展中发挥重要作用，可发生于组蛋白与非组蛋白（尤其是癌蛋白）上。非组蛋白的乳酸酰化会影响其酶活性、亚细胞定位及液-液相分离（Liquid-liquid phase separation, LLPS）能力，后者可通过无膜细胞器浓缩生物分子以促进生化反应，并在癌症中驱动致癌信号通路异常激活、基因表达失调及肿瘤进展。
丙氨酰-tRNA合成酶1（AARS1）长期被视为氨基酰-tRNA合成酶家族的典型成员，负责将丙氨酸加载至tRNA以保证翻译保真性，被归类为管家酶。但近年研究发现，AARS1处于代谢与表观遗传的交叉节点。早期研究认为乙酰转移酶p300可在乳酸辅酶A（Lactyl-coenzyme A, lactyl-CoA）依赖的方式下介导组蛋白乳酸酰化，但由于细胞内lactyl-CoA浓度极低（比乙酰辅酶A低至少三个数量级），该过程的生理相关性存疑。鉴于乳酸与L-丙氨酸的化学结构高度相似，研究人员推测AARS1/2可作为乳酸酰转移酶催化蛋白质乳酸酰化。后续全基因组CRISPR筛选证实，AARS1可作为p53的乳酸酰转移酶；进一步研究发现，AARS1具有不依赖lactyl-CoA的内源性乳酸酰转移酶活性，可直接感知乳酸并催化靶蛋白（包括组蛋白）的赖氨酸乳酸酰化，解决了乳酸酰化酶来源的争议，重新定义了AARS1兼具翻译与代谢信号双重功能的特性。目前针对AARS1乳酸酰转移酶功能在肿瘤学中的系统性综述仍然缺乏，本综述将总结AARS1介导的乳酸酰化的分子特征、功能、调控机制及临床相关性，并探讨靶向AARS1的潜在治疗策略。
AARS1的分子结构与进化可塑性
AARS1的分子结构特征
AARS1属于II类氨基酰-tRNA合成酶家族，进化上高度保守，包含氨基酰化域、编辑域等功能结构域。N端氨基酰化域是核心功能模块，负责催化丙氨酸与tRNAAla的连接；编辑域可识别并水解错误加载的非丙氨酸氨基酸，维持翻译保真性；C-Ala域可协调氨基酰化域与编辑域结合同一tRNAAla，防止丝氨酸或甘氨酸误掺入丙氨酸。真核生物AARS1的C端进化出非翻译相关结构域，包含核定位信号（Nuclear localization signal, NLS），可响应乳酸信号介导核转位以执行乳酸酰转移酶功能。
人类胞质AARS1基因编码的蛋白除保留经典氨基酰化活性外，还具有乳酸感知与乳酸酰转移酶活性，可在ATP依赖条件下将乳酸转移至蛋白质赖氨酸残基。其催化域包含保守的乳酸结合口袋（由M46、R77、N216、D239、G241等残基组成）与ATP结合位点，突变这些位点会破坏乳酸或ATP结合，导致乳酸酰转移酶活性丧失。编辑域的校对功能对AARS1的乳酸酰转移酶活性并非必需。C端结构域的C末端酰胺基团可作为C-降解信号（C-degron），被SCF-FBXO31复合物识别并介导AARS1的泛素化降解，是蛋白降解靶向嵌合体（Proteolysis-targeting chimeras, PROTAC）药物开发的潜在靶点。
AARS1的进化可塑性
AARS1的核心功能是精确将丙氨酸加载至对应tRNA，但丙氨酸与丝氨酸侧链结构高度相似，仅丝氨酸多一个羟基，导致AARS1活性中心难以完全区分二者，引发“丝氨酸误译悖论”。经典观点认为AARS1依赖编辑域纠正误译，但近期研究发现，乳酸适应菌株中AARS1的L219M突变可同时增强乳酸耐受性并抑制丝氨酸误激活，表明微小侧链改变即可优化功能，揭示了AARS1进化轨迹中的序列可塑性。真核生物通过获得NLS等额外结构域赋予AARS1多功能性，使其可执行非经典功能。
AARS1作为乳酸传感器与乳酸酰转移酶的功能
2019年赵英明团队首次报道赖氨酸乳酸酰化这一新型翻译后修饰，证实乳酸可直接修饰组蛋白赖氨酸残基（如H3K18la），调控巨噬细胞极化与耐药等免疫过程。随后，周兆才团队发现AARS1可通过乳酸酰化YAP-TEA结构域转录因子1（TEAD1）复合物增强YAP致癌信号，其R77Q突变可超激活胃癌中的乳酸酰转移酶活性；周芳芳团队通过全基因组CRISPR筛选揭示，肿瘤分泌的乳酸作为内源性p53抑制剂，AARS1是其乳酸酰化的主要催化酶。跨物种分析证实AARS1结构框架高度保守，其乳酸结合口袋残基可与乳酸形成直接配位网络，定点突变这些残基会显著破坏乳酸结合能力，组合突变可导致乳酸结合功能完全丧失。生化重构实验显示，野生型EcAlaRS仅在乳酸与ATP共存的条件下才能增强细胞提取物中的全局赖氨酸乳酸酰化，而乳酸结合缺陷或ATP结合缺陷突变体则无此功能，证实AARS1是可直接利用乳酸作为底物、驱动ATP偶联赖氨酸乳酸酰化的功能性乳酸酰转移酶。
AARS1通过特定残基构成乳酸结合口袋，以氢键与静电作用特异性识别并结合乳酸，充当细胞内的乳酸传感器。乳酸结合后的AARS1在ATP存在下发生构象激活启动催化，该过程与其经典氨基酰化活性机制平行，均通过高能中间体实现底物转移。乳酸酰转移酶活性不受编辑位点突变影响，表明校对功能对该新功能非必需。N端催化域支撑AARS1的功能二元性，其进化获得的乳酸酰转移酶活性使其成为癌症发病中的代谢-表观遗传交汇点。AARS1的两种活性状态切换受底物浓度（乳酸与L-丙氨酸）、ATP浓度、AARS1构象及竞争性抑制调控：生理或病理状态下肿瘤细胞内乳酸可高达40 mM，远高于乳酸酰转移酶反应的阈值，可占据AARS1保守乳酸结合口袋，触发构象激活并促进乳酸-AMP中间体形成，驱动赖氨酸乳酸酰化；反之，高浓度L-丙氨酸可竞争性抑制该通路，恢复氨基酰化活性的主导地位。因此，AARS1的核心功能仍是氨基酰化，乳酸酰转移酶活性仅在乳酸升高且ATP充足的代谢背景下被激活，是一种受底物可用性与细胞能量状态双重调控的机制。
AARS1的作用机制
AARS1的下游调控底物
YAP-TEAD转录复合物是致癌增殖与器官大小调控的核心调节因子。胃癌中糖酵解激活导致乳酸积累时，AARS1发生核转位并位点特异性介导YAP-K90与TEAD1-K108的乳酸酰化：乳酸结合触发AARS1构象改变，激活其乳酸酰转移酶活性，并通过KPNA4介导的NLS识别促进核输入；核内AARS1介导的乳酸酰化可稳定YAP-TEAD1复合物并增强其转录活性。值得注意的是，AARS1本身受YAP-TEAD1转录上调，形成正反馈环路以维持胃癌细胞的促增殖转录。该调控范式在肝细胞癌中同样保守，AARS1可对YAP进行类似修饰。
p53作为核心肿瘤抑制因子，其乳酸酰化由AARS1催化：细胞内乳酸升高可触发AARS1依赖性位点特异性修饰p53的K120与K139残基。AARS1与p53物理相互作用，免疫共沉淀质谱证实p53是AARS1的直接结合伙伴，靶向其DNA结合域。该修饰显著降低p53与p53响应元件（p53RE）-DNA的结合亲和力并抑制其转录激活潜能。MMTV-PyMT小鼠模型中，药理给予乳酸可显著增强p53-K120/K139乳酸酰化，导致p53功能失活、肿瘤发生提前及生长加剧。临床分析显示，野生型p53肿瘤中AARS1表达与p53乳酸酰化呈正相关，两者均可预测不良临床结局，证实AARS1驱动的p53乳酸酰化是一种通过颠覆p53肿瘤监视功能促进恶性进展的新型致癌机制。
除上述底物外，蛋白质组学分析还发现AARS1可乳酸酰化YTHDC1、Osterix、BLM、ASH2L、Snail1等多种底物，这些修饰蛋白的功能汇聚于代谢重编程、信号级联与化疗耐药等关键通路，但其具体机制与表型后果仍需系统探索。
AARS1的调控机制
AARS1的调控是一个多层网络：转录层面，YAP-TEAD复合物可直接结合AARS1启动子；空间层面，微环境中乳酸积累可促进AARS1通过其C端NLS与核转运蛋白（如KPNA4）结合，增强核转位；结构层面，乳酸结合保守催化残基（如HsAlaRS R77/D239）可触发乳酸酰转移酶功能的变构激活，该过程在恶性肿瘤中受Warburg效应驱动的乳酸流超刺激。目前非编码RNA调控、表观遗传修饰及AARS1翻译后调控等问题仍未阐明，是精准干预的潜在靶点。
底物特异性调控机制
AARS1通过ATP依赖的乳酸-AMP中间体直接将乳酸转移至底物赖氨酸，其底物特异性主要由底物浓度、赖氨酸残基周围的静电/疏水环境及AARS1 C-Ala域介导的空间定位决定。目前已证实p53与cGAS等底物的乳酸酰化会导致DNA结合抑制或转录活性增强等功能改变。当前研究仍存在关键空白：缺乏AARS1与底物（尤其是核内底物如p53、YAP-TEAD）的高分辨率结构信息，限制了原子水平的机制解析；尚未系统鉴定底物特异性序列或结构基序，缺乏“乳酸酰化基序模型”；未明确是否存在适配蛋白介导底物选择；由于AARS1同时修饰多个底物，单个底物的功能贡献难以分离。未来需解析AARS1-底物复合物晶体或冷冻电镜结构，开发并验证乳酸酰化基序模型，利用交联质谱或邻近标记技术筛选互作蛋白，并在细胞或动物模型中构建底物特异性乳酸酰化缺陷突变体，系统评估各底物在肿瘤发生与免疫逃逸中的独立作用。
AARS1与疾病的关联及靶向治疗策略
AARS1在癌症中的表达与临床相关性
泛癌分析显示，AARS1在多种恶性肿瘤中一致上调，高表达与更差的总生存期显著相关。免疫基因组分析表明，AARS1高表达的肿瘤主要为干扰素-γ（IFN-γ）主导的免疫亚型（C2），而AARS1低表达肿瘤富集于炎症亚型（C3）；AARS1表达与抗肿瘤免疫呈负相关，高表达肿瘤免疫浸润受抑、细胞溶解活性降低、IFN-γ信号减弱，提示AARS1发挥免疫抑制作用促进肿瘤进展。通路分析显示AARS1高肿瘤中细胞周期通路超激活，CTRP数据库分析提示AARS1过表达与广谱化疗耐药相关，泛癌相关性分析证实AARS1表达与药物敏感性呈负相关。单因素Cox回归将AARS1确定为膀胱癌、乳腺癌、头颈鳞状细胞癌与低级别胶质瘤总生存的独立危险因素，ROC曲线分析显示AARS1在TCGA-GTEx与TCGA数据集中均具有高诊断准确性，可作为潜在的泛癌诊断生物标志物。
AARS1在癌症中的功能
TCGA与GEPIA数据显示，癌症组织中AARS1 mRNA水平显著高于正常组织，突变主要表现为催化口袋附近的点突变、拷贝数增加或表达上调，可改变乳酸结合能力。AARS1的致癌作用主要源于其在代谢重编程与信号通路失调背景下的过表达及乳酸酰转移酶功能超激活。例如，胃癌中AARS1上调与不良预后相关，其介导的p53乳酸酰化可功能性失活该肿瘤抑制因子，颠覆细胞周期检查点与凋亡程序；同时AARS1可乳酸酰化YAP-TEAD复合物，通过上调促增殖与抗凋亡基因网络增强致癌活性。十二指肠肿瘤可利用AARS1介导PARP1 K-丙氨酰化，产生凋亡抵抗表型；乳腺癌中AARS1过表达导致的超乳酸酰化可驱动转移扩散；肝癌中AARS1依赖的ASH2L乳酸酰化可促进肿瘤血管生成与侵袭性；高血糖条件下，膀胱癌中AARS1催化YTHDC1 K82乳酸酰化，触发RNF183介导的YTHDC1泛素化降解，降低JUND mRNA稳定性与NECTIN4表达，削弱膀胱癌细胞对Enfortumab Vedotin（EV）的治疗敏感性，而药理抑制AARS1可恢复EV治疗应答。
铜死亡是2022年提出的新型调节性细胞死亡形式，由细胞内铜过载触发，直接靶向并破坏线粒体呼吸（尤其是三羧酸循环）。研究发现，食管鳞状细胞癌中AARS1乳酸酰化NUDT21，通过结合CPSF6稳定CFIm复合物，诱导FDX1 3'UTR延长并抑制翻译，从而逃避铜死亡；而胃肿瘤铜过载时，AARS1乳酸酰化METTL16（K229），可在FDX1转录本上安装m6A标记以维持铜还原酶活性，最终导致硫辛酰化崩溃与铜死亡，提示AARS1通过底物偏好与代谢线索发挥双向作用，精细调控铜死亡易感性。此外，AARS1突变还与多种神经发育障碍密切相关，在非肿瘤疾病如骨质疏松中，AARS1可乳酸酰化成骨主调控因子Osterix（Osx）的K230，增强其DNA结合能力与H3K4三甲基化，促进成骨分化。
靶向AARS1的治疗策略
β-丙氨酸是与乳酸结构相似的分子，可竞争性结合AARS1。动物模型显示，β-丙氨酸处理可有效阻断乳酸与AARS1的结合，降低p53乳酸酰化水平，增强p53肿瘤抑制活性并缓解肿瘤发生，是具有潜力的AARS1靶向候选分子。通过结构优化（引入疏水或芳香基团增强与乳酸结合口袋关键残基的亲和力、调整亲脂性改善细胞膜穿透性、引入抗水解基团提升生理稳定性），结合分子对接与分子动力学模拟设计多靶点衍生物，可进一步提高β-丙氨酸衍生物的抑制效率。
基因编辑技术（如CRISPR-Cas9）可通过敲除或突变癌细胞中AARS1基因消除其乳酸酰转移酶活性，但AARS1的氨基酰化活性是细胞稳态所必需的，全身性敲除会导致严重毒性，因此需开发肿瘤选择性基因编辑系统：利用肿瘤特异性启动子（如NR4A2、RGS16、Survivin）驱动Cas9表达，或使用修饰肿瘤归巢配体的脂质纳米颗粒（LNPs）或病毒载体递送CRISPR系统，实现肿瘤区室限制性编辑。
此外，可通过高通量药物筛选鉴定特异性抑制AARS1乳酸酰转移酶活性的小分子化合物。考虑到AARS1的功能可塑性，靶向策略需适配癌症类型与微环境：例如胃癌中激活AARS1可增强铜死亡疗效，而食管癌中抑制AARS1可逆转铜死亡耐药。未来还需优化β-丙氨酸及其类似物的给药方式与剂量，解决基因编辑技术的安全性问题，开发高特异性、低毒性的AARS1小分子抑制剂，并探索响应肿瘤微环境的AARS1抑制剂以提升靶向性。
未来展望
尽管AARS1作为乳酸酰转移酶的研究已取得显著进展，仍有诸多未知领域待探索：AARS1如何在细胞内精确靶向特定底物、是否存在辅助因子参与乳酸酰化过程的调控尚不明确；除p53与YAP-TEAD复合物外，大量潜在底物的乳酸酰化生物学功能仍需阐明。当前AARS1在癌症中的作用存在不一致甚至矛盾的结论，例如其在胃癌中发挥促癌作用，而在特定铜死亡条件下可能发挥抑癌作用，这可能与肿瘤微环境、底物特异性及翻译后修饰调控有关。肿瘤微环境中的营养供应、氧化应激、金属离子浓度等因素可影响AARS1的活性与底物特异性；AARS1自身的磷酸化、乙酰化、SUMO化等修饰可动态调控其亚细胞定位、酶活性及对特定底物的亲和力；AARS1参与的多个信号通路之间的串扰也可能导致其功能二元性。未来需整合单细胞多组学、原位结构生物学与动态修饰组学技术，解析真实肿瘤微环境中AARS1的功能状态，明确其在何种微环境与分子背景下通过何种机制调控哪些关键底物并最终驱动特定细胞命运。
在治疗策略方面，仍需深入研究如何高效、安全地将AARS1靶向策略应用于临床，包括优化β-丙氨酸衍生物的给药方案、提升基因编辑技术的特异性与安全性、开发高选择性低毒性的小分子抑制剂。AARS1的功能二元性要求未来靶向治疗需结合肿瘤类型与微环境因素进行个性化设计。此外，AARS1的上游调控机制与维持其蛋白稳定性的通路尚未完全阐明，未来需深入探究其翻译后修饰、互作网络与空间定位调控，为靶向降解策略提供依据。蛋白降解靶向嵌合体（PROTACs）是选择性降解致病蛋白的新型双功能分子，尽管目前尚无靶向AARS1的PROTAC报道，但AARS1在神经退行性疾病中的关键作用、过表达或突变导致的功能获得性变化、存在可被E3连接酶识别的结合表面及利于蛋白酶体降解的无序区域，使其成为PROTAC开发的极具潜力靶点，有望为相关疾病治疗带来突破。
