乳酸化修饰（Lactylation）是指在细胞代谢过程中，乳酸的积累修饰组蛋白上的赖氨酸残基。乳酸化修饰是乳酸发挥功能的重要方式，参与糖酵解相关细胞功能、巨噬细胞极化、血管功能、线粒体、神经系统调控等重要生命活动，可为肿瘤、免疫等领域的研究指引方向。

乳酸化从2013年有文章发表，作为一种新型组蛋白修饰是2019年才正式提出来的，每年上线的文章呈上升趋势，2024年乳酸化的相关研究为138篇，展现出了很大的潜力。

乳酸化怎么研究呢？先来一篇今年刚发表的低分文章体验套路吧！

题目：克罗恩病乳酰化相关基因的免疫学特征：基于批量和单细胞RNA测序数据的综合分析

期刊名称：Journal of Translational Medicine

影响因子：IF=6.1

发表时间：2024年3月

 

研究背景

克罗恩病（CD）是一种以肠道免疫功能障碍为特征的疾病，常伴有代谢异常。在 CD 患者的肠道中已发现乳酸代谢紊乱，但关于乳酸和相关乳酰化在 CD 发病机制中的作用的研究仍不清楚。

 

研究方法

该研究从GEO数据库获取3个CD相关数据集，鉴定与乳酸化相关的hub基因。通过一系列分析确定其功能、表达水平与免疫浸润之间的相关性。利用单细胞数据探索了不同免疫细胞的乳酸化水平，分析乳酸化相关的关键途径，系统阐述了CD中的乳酸化机制。

 

研究结果

1、CD患者肠道的总体表达谱

对3个CD相关数据集（GSE16879、GSE75214和GSE112366）去除批效应后，获得了226名CD患者和43名健康对照的表达谱（图1A-D）。方差分析显示，CD患者肠道中有2751个上调基因和3064个下调基因（图1E，F）。

图1：三种GEO矩阵的联合后校正分析

 

2、乳酸化相关基因的表达特征

在获得上述图谱后，研究了34个与乳酸化相关的基因及其各自的表达方差。研究结果显示，在CD患者中，与乳酸化相关的7个基因明显上调，而9个基因下调（图2A，B）。建立DSS诱导的小鼠模型，并利用小鼠结肠组织进行qPCR验证，这16个基因在结肠炎小鼠模型中的表达谱与生物信息学分析结果一致。对16个与乳酸化相关的差异表达基因进行了功能分析。GO分析显示了“组蛋白去乙酰化”、“组蛋白修饰”和“组蛋白去乙酰化酶复合物”的显著变化（图2C）。KEGG分析揭示了“丙酮酸代谢”、“中性粒细胞胞外陷阱形成”和“HIF-1信号通路”的显著变化（图2D）。最后，利用STRING数据库预测了16个差异表达的乳酸化相关基因的蛋白相互作用网络（图2E）。

图2：乳酸化基因的差异表达

 

3、乳酸化hub基因的鉴定

对16个差异表达基因进行lasso回归，发现了11个乳酸化相关hub基因（图3A）。利用随机森林分析和SVM-RFE算法对乳酸化相关基因进行排序，确定前10位的基因（图3B, C）。通过这3种方法获得的基因重叠，确定6个作为乳酸化hub基因，分别是EMB、HDAC3、HIF1A、PARK7、SIRT1和SLC16A1（图3D，E）。使用ROC评估了它们区分CD患者和健康个体的潜力，HIF1A、SIRT1、SLC16A1、和EMB表现出合理的区分能力（图3F）。

图3：6个乳酸化中枢基因的鉴定

 

4、CD患者hub基因的功能分析

Hub基因富集分析，EMB表达与各种营养物质的吸收呈正相关，与肠上皮细菌侵袭呈负相关(图4A)。HDAC3表达与B细胞受体信号通路、Th细胞分化、NF-κB信号通路呈正相关，与TCA循环呈负相关（图4B）。HIF1A表达与NOD样受体信号通路和TNF信号通路呈正相关（图4C）。PARK7的表达与脂肪和维生素的消化吸收呈负相关，而与蛋白酶体和细胞周期呈正相关（图4D）。SIRT1表达与蛋白酶体、氧化磷酸化和沙门氏菌感染呈负相关（图4E）。

SLC16A1表达与自然杀伤细胞介导的细胞毒性、B细胞受体信号通路和T细胞受体信号通路呈负相关，而与氧化磷酸化和核糖体呈正相关（图4F）。

图4：hub基因表达与KEGG通路的关系

 

5、hub基因的表达与CD患者的免疫特性相关

对CD患者和健康对照组的免疫细胞浸润水平进行了分析。结果表明CD患者肠道中23种免疫细胞中有16种的浸润水平显著增加，2种显著下降（图5A，B）；EMB表达与16种免疫细胞的浸润水平之间存在显着负相关，之间存在着正相关激活CD8 T细胞和单核细胞的数量(图5)；HDAC3的表达与12种的浸润水平呈显著正相关，与中性粒细胞数量呈负相关(图5D)；相应地，HIF1A的表达与22种的浸润程度呈显著正相关(图5E)， PARK7的表达与20种的浸润程度呈显著正相关(图5F)。SIRT1表达与15种浸润水平呈显著负相关(图5G)， SLC16A1表达12种浸润水平呈显著正相关，6种呈显著负相关(图5H)。

图5：中枢基因与免疫细胞浸润的相关性

 

6、使用scRNA-seq数据鉴定CD患者的11个细胞簇

按照质量控制标准和CD scRNA-seq数据标准化，对88322个细胞进行了分析，共检测了20527个基因。使用统yi流形逼近与投影（UMAP）降维，成功地将细胞分类成11个不同的簇（res = 0.2）（图6A，B）。使用“SingleR”功能注释和表示8种细胞类型：CD4 T细胞、B细胞、NK细胞、DC/巨噬细胞、上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞和CD8 T细胞（图6C）。进行差异表达分析，发现来自所有11个簇的6659个标记基因的完整计数（图6D）。

图6：单细胞RNA序列分析

 

7、单细胞分析证实了CD中乳酸化与免疫的相互作用

通过检测不同细胞类型中34个乳酸化相关基因的表达来评估单个细胞的乳酸化水平（图7A)。从图中可以看出，上皮细胞、CD8 T细胞和内皮细胞的乳酸化水平评分相对较高（图7B，C），而B细胞、CD4 T细胞和NK细胞的评分相对较低。随后将细胞按乳酸化水平进行分类，以中位数分为高乳酸化组和低乳酸化组。发现B细胞的乳酸化水平相对较低，而巨噬细胞、上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞和CD8 T细胞的乳酸化水平相对较高（图7D）。最后，根据炎症区域对细胞进行分类和分析，发现炎症区域的乳酸化水平通常高于非炎症区域（图7E）。此外，特定细胞类型（如CD4 T细胞、B细胞、上皮细胞、成纤维细胞、内皮细胞和NK细胞）的乳酸化水平在炎症区域显著升高（图7F）。

图7：基于单细胞测序的CD患者乳酸化分析

 

8、功能聚类分析确定了与乳酸化相关的关键途径

基于MSigDB的数据集，使用R包GSVA对每个细胞进行评分，并分析不同细胞类型中HALLMARK通路评分与乳酸化水平之间的相关性，发现“氧化磷酸化”、“MYC_TARGETS_V1”和“MTORC1_SIGNALING”通路在所有细胞中表现出最强的相关性(图8)。

图8：各细胞类型中乳酸化评分与HALLMARK通路的相关性热图

 

结论