乳酸，是糖酵解途径产生的重要代谢产物。近年来的研究发现，乳酸不仅仅是代谢废物，也可作为燃料给细胞提供能量，且作为信号分子参与很多生理病理过程。2019年，芝加哥大学赵英明教授课题组在 Nature 杂志上报道了一项开创性的研究：乳酸通过介导乳酸化修饰，调控基因表达来发挥肿瘤代谢、免疫等生物功能[1]。

乳酸化底物蛋白的鉴定是剖析乳酸化的生物学功能所需的重要步骤。基于抗赖氨酸乳酸化泛抗体的修饰组学分析，由于其特异性与高深度的优势，广泛应用于乳酸化研究，揭示了乳酸化在细胞重编程、神经兴奋，肿瘤发生和糖代谢等方面发挥着重要的生物功能。然而，目前对于乳酸化修饰的底物蛋白，尤其是非组蛋白的底物，仍然存在很多的未知。

近日，北京大学深圳研究生院彭涛课题组在Chemical science (IF=9.969)上发表了题为“A bioorthogonal chemical reporter for the detection and identification of protein lactylation”的研究结果。该文章报道了一种生物正交的化学探针YnLac，首次实现了哺乳动物细胞中蛋白乳酸化修饰的蛋白质组学层面的检测和鉴定，为研究蛋白乳酸化修饰提供了强有力的化学小分子工具，有利于其在生理病理中生物功能的研究。景杰抗体PTMab^®为该研究提供乳酸化抗体。

在过去的二十年中，生物正交化学报告策略 (bioorthogonal ligation) 已成为研究多种蛋白质 PTM 的有力替代方法，包括糖基化、酰化、脂化等。其技术原理为，化学报道分子，即PTM 供体前体的炔基或叠氮基衍生物，通过代谢结合到活细胞中携带 PTM 的蛋白质中，并允许用生物正交基团标记这些感兴趣的蛋白质。标记的蛋白质随后通过生物正交反应与荧光团或亲和标签结合，分别用于荧光检测或蛋白质组学鉴定。在这项研究中，研究者基于乳酸分子的化学结构设计并合成了探针YnLac，通过引入末端炔烃，后续与叠氮基团进行点击化学反应，从而引入不同的标签，例如罗丹明标签用于胶内荧光检测，Biotin标签用于蛋白质组学中的富集与鉴定等。

首先研究通过胶内荧光以及细胞荧光成像，初步验证了探针YnLac可以在活细胞中实现代谢标记。无论是在细胞核蛋白还是细胞质蛋白都存在明显的标记，其中在已报道存在乳酸化修饰的组蛋白上也有很强的荧光信号，且该标记信号可以被乳酸竞争减弱。这些数据证明，该探针与天然的乳酸有类似的生物功能，能够经由乳酸的修饰途径对存在乳酸化修饰的蛋白进行代谢标记。

  图2 使用YnLac对乳酸化蛋白进行凝胶内荧光检测

进一步研究者利用该探针对HEK293T细胞中的乳酸化修饰底物蛋白进行化学蛋白质组学分析。利用如下图的蛋白质组学策略，实现乳酸化修饰的蛋白及位点鉴定。通过细胞核蛋白的蛋白质组学鉴定，得到19个修饰位点，其中在组蛋白上鉴定到13个已报道的修饰位点以及2个新鉴定到的修饰位点。这一结果证实了该组学策略的可行性。

图3 乳酸化的化学蛋白质组学分析

利用这一化学蛋白质组学策略，对细胞质蛋白的乳酸化修饰进行了鉴定。在51种非组蛋白上鉴定到96个修饰位点。对鉴定到的乳酸化蛋白进行了生信分析，结果表明，蛋白乳酸化主要与细胞核的生物过程相关，比如RNA加工/代谢、染色体组装和DNA修复等。

利用传统的生物化学手段对蛋白质组学中鉴定到的几种蛋白进行验证。利用探针和乳酸化泛抗体，挑选的三个底物蛋白HMGB1[2], NCL以及PARP1 都存在乳酸化修饰信号，这证实了蛋白质组学结果的可靠性。进而对鉴定到的乳酸化修饰位点进行验证，发现该策略鉴定到的位点是潜在的修饰位点。

图4 新型乳酸化底物蛋白的验证

最后，研究者对PARP1蛋白上的乳酸化修饰进行生物功能研究。PARP1 (poly ADP-ribose polymerase) 介导的蛋白质ADP-核糖基化在DNA损伤修复中十分重要。结合蛋白质组学的位点鉴定结果和已报道的乙酰化修饰位点，结果发现，PARP1自修饰domain中的7个赖氨酸为乳酸化的主要修饰位点。并且，PARP1的乳酸化修饰可以促进其ADP-核糖基化修饰活性，增加其自修饰水平以及底物蛋白上的ADP-核糖基化修饰。

图5 PARP1乳酸化的功能研究

乳酸化的发现极大地扩展了我们对乳酸功能的理解，鉴于哺乳动物中L-乳酸的广泛存在和高浓度，预示乳酸化修饰广泛参与的多种生物过程。该研究开发并报道了一种生物正交化学报告基因 YnLac，可用于研究哺乳动物细胞中的蛋白质乳酸化。研究结果很好地扩展了对乳酸化修饰底物蛋白的鉴定及其生物功能的认知，或将为揭示蛋白乳酸化修饰这一新热点，在生理病理条件下生物功能的探究提供一个新的思路。