7月21日，玩球平台动物科技学院刘红林教授团队在《美国国家科学院院刊》（PNAS）在线发表题为“HSP90α lactylation orchestrates PGC1α and LRPGC1 nuclear translocation driving mitochondrial biogenesis”的研究论文。该研究发现，乳酸可通过诱导热休克蛋白90α（HSP90α）发生特定位点乳酸化，协同调节其磷酸化状态，进而促进PGC1α及其异构体LRPGC1进入细胞核，启动线粒体生物发生，并增强雌二醇合成和卵泡发育。研究揭示了糖酵解代谢与卵巢线粒体功能之间一条新的分子通路。
线粒体是细胞能量代谢的核心，也是卵巢类固醇激素合成的起始场所。卵泡生长过程中，颗粒细胞快速增殖、分化以及雌激素合成都需要充足的能量和线粒体支持。过去，乳酸常被视为糖酵解的终产物；近年来的研究表明，它还可作为信号代谢物，通过赖氨酸乳酸化等蛋白质翻译后修饰调节细胞功能。团队前期研究已观察到乳酸能够促进颗粒细胞线粒体生物发生，但乳酸信号如何传递至线粒体生物发生的核心调控因子，仍缺乏清晰的机制解释。
研究首先发现，乳酸可通过单羧酸转运蛋白MCT1进入细胞，显著提高线粒体DNA拷贝数、线粒体标志蛋白TOM20水平和细胞氧耗率。阻断乳酸摄取，或分别敲低PGC1α、LRPGC1，乳酸诱导的线粒体扩增和呼吸增强均受到抑制，表明PGC1α和LRPGC1的核转位是乳酸促进线粒体生物发生的关键环节。在低氧条件下，抑制乳酸生成同样阻断LRPGC1入核，进一步说明内源性乳酸也参与该过程。进一步筛查发现，乳酸并不直接修饰PGC1α或LRPGC1，而是显著增强二者与HSP90α的结合。HSP90α是一类高度保守的分子伴侣，通常负责客户蛋白的折叠、稳定和转运。体外蛋白结合、药理抑制、RNA干扰及CRISPR/Cas9基因敲除等多种证据共同表明，HSP90α如同“分子护航者”，直接结合PGC1α和LRPGC1，并促进其转运至细胞核；缺失HSP90α后，这一核转位过程及随后的线粒体生物发生均被阻断。作为对照，敲低同家族的HSP90β并未产生相同效应，说明该功能主要由HSP90α特异承担。
图1 HSP90α调控PGC1α/LRPGC1核转位并促进线粒体生物发生
乳酸如何启动HSP90α的“护航”功能？研究发现，乳酸在ACSS2和GTPSCS作用下转化为乳酰辅酶A，随后由乳酰转移酶CREBBP将乳酰基团转移至HSP90α。研究团队通过免疫沉淀联合质谱分析获得1352个HSP90α互作蛋白，再从中筛出15种候选酰基转移酶；逐一敲低后，只有CREBBP缺失显著降低HSP90α乳酸化。纯化蛋白和体外乳酸化实验进一步证实，CREBBP的HAT结构域能够直接催化这一反应。质谱分析还鉴定出HSP90α的4个乳酸化位点，其中K58和K616是发挥功能的关键位点。将这两个赖氨酸突变为不能发生乳酸化的精氨酸后，HSP90α与PGC1α/LRPGC1的结合和核转运能力明显下降，线粒体DNA复制、TOM20表达和氧化呼吸也受到抑制，从而确立了CREBBP介导的HSP90α位点特异性乳酸化在该过程中的核心作用。
研究还揭示了乳酸化与磷酸化两类蛋白质翻译后修饰之间精巧的“交叉对话”。值得注意的是，乳酸处理并未简单提高或降低HSP90α的总体磷酸化水平，而是重新分配了两个功能位点的磷酸化状态：HSP90α的K58乳酸化可增强其对ULK1激酶的招募，促进邻近S39位点磷酸化；K616乳酸化则通过空间位阻减少CDK5与HSP90α结合，抑制S596位点磷酸化。这两个方向相反、功能协同的“分子开关”，共同使HSP90α维持有利于结合客户蛋白的构象，增强PGC1α和LRPGC1入核。磷酸化模拟和缺失突变实验表明，两处开关中任一环节受阻都会削弱核转位，双位点同时受阻时作用更加明显。进入细胞核后，PGC1α/LRPGC1与NRF1/2结合，激活Tfb1m、Tfb2m和Tfam等线粒体生物发生相关基因的转录，由此完成从糖酵解代谢信号到线粒体扩增的连续调控。
图2 HSP90α K58/K616乳酸化与S39/S596磷酸化协同调控线粒体生物发生
功能实验进一步表明，新生线粒体不仅提升了颗粒细胞的能量代谢能力，还促进胆固醇向线粒体转运，为类固醇激素合成提供底物，最终提高雌二醇产量。在小鼠体内，乳酸处理增强了卵巢颗粒细胞HSP90α乳酸化及其与PGC1α/LRPGC1的结合，同时提高线粒体生物发生水平、血清雌二醇浓度和有腔卵泡数量；使用CREBBP抑制剂C646后，上述效应受到明显抑制，进一步验证了该信号轴在卵泡生长和卵巢功能调控中的生理作用。
图3 HSP90α乳酸化促进线粒体胆固醇富集、雌二醇合成及卵泡发育
综上，本研究揭示了一条由HSP90α双位点乳酸化介导的代谢-转录调控通路：该修饰通过协同调控磷酸化状态促进PGC1α/LRPGC1核转位，将糖酵解信号转化为线粒体生物发生与类固醇合成的执行指令。这一机制性突破不仅为理解卵泡发育的代谢调控提供了新的分子框架，也为开发靶向乳酸化修饰的生殖调控技术及治疗卵巢功能相关疾病提供了潜在干预靶点。
玩球平台动物科技学院吴刚、李宏敏为论文共同第一作者，申明教授、刘红林教授为共同通讯作者。玩球平台为论文第一署名单位。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、江苏省自然科学基金、江苏省农业科技自主创新资金及江苏省种业振兴“揭榜挂帅”项目等资助。
文章链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2528979123
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