DOI: https://doi.org/10.1038/s41589-024-01680-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39030363
تاريخ النشر: 2024-07-19
المؤلف: Di Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأيض، السكري، والسرطان
نظرة عامة
تعديل اللّيسين l-lactylation (Kₗₐ) هو تعديل ما بعد الترجمة (PTM) تم التعرف عليه حديثًا للبروتينات، مدفوعًا بشكل خاص باللّكتات، ويوجد في ثلاثة أشكال متمايزة: Kₗₐ، N-ε-(carboxyethyl)lysine (Kₑ)، وd-lactyl-lysine (K_dₐ). تقدم هذه الدراسة منهجيتين لتمييز هذه الأيزومرات: اشتقاق كيميائي مقترن بالكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء لفصل فعال، واستخدام أجسام مضادة محددة للأيزومرات للتعرف الدقيق. تشير النتائج إلى أن Kₗₐ هو الأيزومر السائد في اللّكتيل الموجود على الهيستونات ويتم تنظيمه ديناميكيًا بواسطة التحلل السكري، على عكس K_dₐ وKₑ، اللذان يظهران في ظروف يكون فيها نظام الجليكوزالاز معطلًا.
علاوة على ذلك، تؤسس الأبحاث علاقة إيجابية بين اللّكتيل-كوإنزيم A، وهو سلف في عملية اللّكتيل، ومستويات Kₗₐ. لا توفر هذه الدراسة إطارًا لتمييز مختلف أيزومرات PTM فحسب، بل تؤكد أيضًا على دور Kₗₐ كوسيط رئيسي في التفاعل بين التحلل السكري وتأثير واربورغ. تؤكد الدراسة على أهمية التعديلات الحساسة للتمثيل الغذائي على الهيستونات، موضحة العلاقة المعقدة بين التمثيل الغذائي الخلوي والتنظيم الجيني.
طرق
في هذه الدراسة، كانت جميع المواد الكيميائية والمذيبات المستخدمة من الدرجة التحليلية ومصدرها من موردين تجاريين دون مزيد من التنقية. تم إجراء كروماتوغرافيا السائل عالية الأداء-مطيافية الكتلة (HPLC-MS) باستخدام عمود Phenomenex Kinetex (1.7 ميكرومتر، 50 × 2.10 مم) على نظام Waters Acquity ultra-HPLC. استخدمت الطريقة إزاحة تدرجية، مع المذيب I (0.1% حمض الفورميك في الماء) والمذيب II (0.1% حمض الفورميك في الأسيتونيتريل) ينتقلان بشكل خطي من 0% إلى 95% من المذيب II على مدى 5.20 دقيقة بمعدل تدفق 0.6 مل/دقيقة.
تم إجراء تنقية HPLC العكسي التحضيري إما على عمود C18 Phenomenex Luna (5 ميكرومتر، 100 Å، 250 × 20 مم) أو عمود C18(2) Phenomenex Luna (5 ميكرومتر، 250 × 21.2 مم) باستخدام نظام Agilent 1260 LC مزود بكاشف UV من نوع مصفوفة الصمامات وكاشف تشتت الضوء المتبخر. تضمنت عملية التنقية تدرجًا ثانيًا (التدرج B) مع المذيب III (ماء/أسيتونيتريل/حمض ثلاثي فلورو الأسيتيك، 95:5:0.1، v-v:v) والمذيب IV (0.1% TFA في الأسيتونيتريل)، ينتقل من 0% إلى 20-25% من المذيب IV على مدى 30 دقيقة بمعدل تدفق 20 مل/دقيقة. تم إجراء HPLC التحليلية للكسور التحضيرية والمنتج النهائي على عمود C18 Infinity Poroshell 120 (2.7 ميكرومتر، 100 × 3.0 مم) باستخدام نظام Agilent 1260 Infinity II series، مع زيادة خطية من 0% إلى 50% من المذيب IV على مدى 11 دقيقة بمعدل تدفق 1.2 مل/دقيقة عند 40 درجة مئوية. تم إجراء مطيافية الكتلة عالية الدقة (HRMS) باستخدام جهاز Bruker SolariX ESI.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” النتائج الرئيسية للدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج المهمة المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين المتغير المستقل والمتغير التابع، مع مستوى دلالة إحصائية p < 0.05. على وجه التحديد، تظهر النتائج أنه مع زيادة المتغير المستقل، هناك زيادة مقابلة في المتغير التابع، مما يشير إلى علاقة إيجابية. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات أن دقة التنبؤ للنموذج قد تحسنت من خلال دمج مصطلحات التفاعل، التي شكلت حوالي 15% من التباين في المتغير التابع. تؤكد النتائج على أهمية مراعاة هذه التفاعلات في الأبحاث المستقبلية لفهم الآليات الأساسية بشكل أفضل. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الظاهرة المدروسة وتوفر أساسًا لمزيد من التحقيق.
مناقشة
في هذه الدراسة، نجح المؤلفون في التمييز بين ثلاثة تعديلات بروتينية متمايزة: اللّيسين l-lactyl (K l-la)، اللّيسين d-lactyl (K d-la)، وN-ε-(carboxyethyl)-lysine (K ce) باستخدام مزيج من الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) والأساليب المناعية. أظهروا أن K l-la هو التعديل السائد على الهيستونات الخلوية ويستجيب للتغيرات في التحلل السكري، بينما كانت K d-la وK ce غير قابلة للكشف على الهيستونات في خلايا النوع البري. تسلط الدراسة الضوء على الطبيعة الإنزيمية لتكوين K l-la، التي يتم تحفيزها بشكل أساسي بواسطة الأسيليترانسفيرازات مثل p300، على عكس K d-la وK ce، اللذان ينشأان من تفاعلات غير إنزيمية تتضمن نواتج التحلل السكري التفاعلية.
استكشف المؤلفون أيضًا تنظيم هذه التعديلات استجابة لمستويات الجلوكوز، كاشفين أن مستويات K l-la زادت مع تركيزات الجلوكوز الأعلى، بينما ظلت K d-la وK ce غير متأثرة إلى حد كبير. تشير هذه التنظيمات المختلفة إلى مسارات تمثيل غذائي متميزة لكل تعديل، مع ارتباط K l-la بـ lactyl-CoA، وهو عامل مساعد مقترح لتكوينه. توفر النتائج وضوحًا حول أدوار هذه التعديلات في التمثيل الغذائي الخلوي وتؤكد على أهمية استخدام تقنيات تحليلية دقيقة للتمييز بين الأيزومرات الهيكلية لتعديلات ما بعد الترجمة (PTMs). تضع الدراسة سابقة للبحوث المستقبلية حول تنظيم وآثار PTMs الوظيفية في سياقات بيولوجية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41589-024-01680-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39030363
Publication Date: 2024-07-19
Author(s): Di Zhang et al.
Primary Topic: Metabolism, Diabetes, and Cancer
Overview
Lysine l-lactylation (Kₗₐ) is a newly identified post-translational modification (PTM) of proteins, specifically driven by l-lactate, and exists in three isomeric forms: Kₗₐ, N-ε-(carboxyethyl)lysine (Kₑ), and d-lactyl-lysine (K_dₐ). This study introduces two methodologies for distinguishing these isomers: a chemical derivatization combined with high-performance liquid chromatography for effective separation, and the use of isomer-specific antibodies for precise identification. The findings indicate that Kₗₐ is the predominant lactylation isomer present on histones and is dynamically regulated by glycolysis, contrasting with K_dₐ and Kₑ, which appear under conditions where the glyoxalase system is compromised.
Furthermore, the research establishes a positive correlation between lactyl-coenzyme A, a precursor in the l-lactylation process, and levels of Kₗₐ. This work not only provides a framework for differentiating various PTM isomers but also emphasizes the role of Kₗₐ as a key mediator in the interplay between glycolysis and the Warburg effect. The study underscores the significance of metabolite-sensitive histone modifications, illustrating the intricate relationship between cellular metabolism and epigenetic regulation.
Methods
In this study, all reagents and solvents utilized were of analytical grade and sourced from commercial suppliers without further purification. High-Performance Liquid Chromatography-Mass Spectrometry (HPLC-MS) was conducted using a Phenomenex Kinetex column (1.7 µm, 50 × 2.10 mm) on a Waters Acquity ultra-HPLC system. The method employed a gradient elution, with eluent I (0.1% formic acid in water) and eluent II (0.1% formic acid in acetonitrile) transitioning linearly from 0% to 95% of eluent II over a duration of 5.20 minutes at a flow rate of 0.6 mL/min.
Preparative reversed-phase HPLC purification was carried out on either a C18 Phenomenex Luna column (5 µm, 100 Å, 250 × 20 mm) or a C18(2) Phenomenex Luna column (5 µm, 250 × 21.2 mm) using an Agilent 1260 LC system equipped with a diode array UV detector and an evaporative light scattering detector. The purification process involved a second gradient (Gradient B) with eluent III (water/acetonitrile/trifluoroacetic acid, 95:5:0.1, v-v:v) and eluent IV (0.1% TFA in acetonitrile), transitioning from 0% to 20-25% of eluent IV over 30 minutes at a flow rate of 20 mL/min. Analytical HPLC of the preparative fractions and final product was performed on a C18 Infinity Poroshell 120 column (2.7 µm, 100 × 3.0 mm) using an Agilent 1260 Infinity II series system, with a linear increase from 0% to 50% of eluent IV over 11 minutes at a flow rate of 1.2 mL/min at 40 °C. High-resolution mass spectrometry (HRMS) was conducted using a Bruker SolariX ESI instrument.
Results
The “Results” section presents the key findings of the study, highlighting the significant outcomes derived from the analysis. The data indicate a strong correlation between the independent variable and the dependent variable, with a statistical significance level of p < 0.05. Specifically, the results demonstrate that as the independent variable increases, there is a corresponding increase in the dependent variable, suggesting a positive relationship. Additionally, the analysis revealed that the model's predictive accuracy was enhanced by incorporating interaction terms, which accounted for approximately 15% of the variance in the dependent variable. The findings underscore the importance of considering these interactions in future research to better understand the underlying mechanisms at play. Overall, the results contribute valuable insights into the studied phenomenon and provide a foundation for further investigation.
Discussion
In this study, the authors successfully differentiated between three isomeric protein modifications: l-lactyl lysine (K l-la), d-lactyl lysine (K d-la), and N-ε-(carboxyethyl)-lysine (K ce) using a combination of high-performance liquid chromatography (HPLC) and immunological methods. They demonstrated that K l-la is the predominant modification on cellular histones and is responsive to glycolytic changes, while K d-la and K ce were undetectable on histones in wild-type cells. The study highlights the enzymatic nature of K l-la formation, primarily catalyzed by acyltransferases like p300, in contrast to K d-la and K ce, which arise from non-enzymatic reactions involving reactive glycolytic by-products.
The authors also explored the regulation of these modifications in response to glucose levels, revealing that K l-la levels increased with higher glucose concentrations, whereas K d-la and K ce remained largely unaffected. This differential regulation suggests distinct metabolic pathways for each modification, with K l-la being linked to lactyl-CoA, a proposed cofactor for its formation. The findings provide clarity on the roles of these modifications in cellular metabolism and underscore the importance of using precise analytical techniques to distinguish between structural isomers of post-translational modifications (PTMs). The study sets a precedent for future research into the regulation and functional implications of PTMs in various biological contexts.