2 肿瘤中的糖酵解与乳酸生成
细胞代谢是维持机体稳态的基础。在癌症中，代谢重编程是一个突出特征，其中肿瘤细胞依赖有氧糖酵解（即Warburg效应）成为一个核心的代谢适应。这种代谢转变使得即使在有氧条件下，糖酵解通量也被优先选择，导致乳酸过量产生。乳酸曾被视为无氧代谢的废物，如今已被确认为信号分子和翻译后修饰（PTMs）的前体。蛋白质乳酸化修饰涉及乳酰基团（主要来源于细胞内乳酸）共价连接到蛋白质的赖氨酸残基上。这种动态可逆的PTM在基因表达、染色质重塑和细胞命运决定中扮演关键角色，并与癌症进展密切相关。糖酵解是缺氧条件下发生在细胞质中的产能过程，其失调与多种疾病有关。在肿瘤细胞中，有氧糖酵解成为恶性肿瘤的重要标志。为了维持恶性行为，癌细胞大量产生乳酸。乳酸不仅支持细胞增殖、抑制肿瘤微环境（TME）中免疫细胞功能、促进肿瘤血管生成，还可作为细胞外信号分子结合G蛋白偶联受体81（GPR81），触发驱动肿瘤进展的下游信号通路。过量的乳酸产生会酸化TME，抑制T细胞和NK细胞功能，促进免疫逃逸。这些发现表明，乳酸不仅在能量代谢中起关键作用，还直接介导表观遗传调控，进一步影响肿瘤进程。
3 乳酸化修饰概述
3.1 乳酸化是一种新型的蛋白质翻译后修饰
乳酸在肿瘤中的积累可通过表观遗传途径影响基因调控。2019年，赵英明教授团队发现乳酸可诱导组蛋白修饰，导致相关基因上调并促进疾病发展。最近的研究进一步区分了组蛋白上的乳酸化和非组蛋白上的乳酸化，两者都深度参与疾病的发生和进展。对于组蛋白，研究最多的是组蛋白H3和H4。例如，组蛋白H3第18位赖氨酸（H3K18）乳酸化通过增强精氨酸酶1（Arg1）表达来调节免疫反应。在心肌梗死中，糖酵解失调和单羧酸转运蛋白1（MCT1）介导的乳酸转运发生在早期，而H3K18乳酸化可以抑制炎症因子并促进血管生成。在胰腺癌中，抑制H4K8和H4K16乳酸化可降低端粒酶活性，引发癌细胞衰老和凋亡。同时，对非组蛋白乳酸化的研究也取得了显著进展，揭示了其独特的功能作用。总体而言，组蛋白和非组蛋白乳酸化在将代谢变化与疾病过程联系起来方面相互补充，组蛋白修饰主要调节基因表达，而非组蛋白修饰则影响蛋白质功能和信号传导。
作为一种PTM，乳酸化将细胞代谢与染色质结构和转录程序的变化联系起来。在此背景下，理解更广泛的表观遗传修饰格局变得至关重要。这类修饰——包括DNA甲基化和组蛋白修饰——是影响细胞行为并促进癌症发展的重要分子开关。越来越多的证据表明，表观遗传异常通常先于基因突变，并可能成为癌症发生和进展的关键事件。在众多的表观遗传修饰中，PTMs是一个基本的调控层面。迄今为止已发现超过300种不同的PTM类型，它们在癌症发展中起着关键作用，并可作为重要的癌症标志物。癌症中常见的PTM包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化和糖基化。这些观察结果表明，同一基因位点的不同修饰可能在癌症中发挥相反的功能，突显了表观遗传调控的复杂性和环境依赖性特异性。
3.2 乳酸化修饰的“写入者”、“擦除者”和“阅读者”
与其他PTM类似，乳酸化也涉及“写入者”、“擦除者”和“阅读者”的协同作用。这些元件微调组蛋白的化学状态以控制染色质可及性和转录程序，从而影响细胞功能和命运。
3.2.1 写入者
2019年，p300被首次确定为乳酸化“写入者”，研究表明其在HEK293T细胞中的过表达会轻微增加组蛋白Kla水平。随后，一项关于心肌梗死的研究发现，通用型控制非去阻遏蛋白5（GCN5）催化H3K18的乳酸化。后来，一项2024年的研究鉴定出组蛋白乙酰转移酶结合ORC1（HBO1）可以在体外和细胞中调节组蛋白Kla，可能优先催化H3K9la。同时，赖氨酸乙酰转移酶5（KAT5，也称为Tat相互作用蛋白60 kDa [TIP60]）被发现可促进癌症细胞中奈梅亨断裂综合征蛋白1（NBS1）第388位赖氨酸的乳酸化，表明其作为乳酸基转移酶的功能。2025年，研究表明短链酰基辅酶A合成酶家族成员2（ACSS2）与赖氨酸乙酰转移酶2A（KATA2）/LDHA联合，在乳腺癌中作为转移酶发挥作用，调节相关基因的表达。此外，最近的发现表明，氨酰-tRNA合成酶1/2（AARS1/2）可以在不涉及辅酶乳酸的情况下催化乳酸化。
3.2.2 擦除者
关于乳酸化“擦除者”的研究已确定两类主要酶：I类组蛋白去乙酰化酶（HDACs）和Sirtuins（SIRTs）。2022年，I类HDACs（HDAC1–3）首次被报道具有去乳酸化酶活性，证实乳酸化可以被特定酶动态逆转。随后，发现Sirtuin家族成员也具有去乳酸化功能。SIRT2可降低神经母细胞瘤中的组蛋白乳酸化水平，从而抑制细胞增殖和迁移。SIRT3对H4K16la表现出高去乳酸化酶活性，可有效去除该修饰。此外，SIRT1和SIRT3都与去除组蛋白和非组蛋白上的乳酸基团有关；值得注意的是，这些酶对PKM2第207位赖氨酸的去乳酸化保留了其ATP结合能力，并有助于维持哺乳动物细胞中的乳酸化稳态。
3.2.3 阅读者
关于乳酸化“阅读者”的研究相对有限，2024年发表的一项关于诱导多能干细胞（iPSC）重编程的研究揭示了Brahma相关基因1（Brg1）可作为乳酸化阅读者。同年晚些时候，另一个研究团队发现双植物同源结构域指蛋白2（DPF2）可以结合H3K14la，促进转录激活，并促进宫颈癌发展。此外，还鉴定出一种非酶促形式的乳酸化修饰。在糖酵解升高的组织中，S-D-乳酸谷胱甘肽已被证明可将乳酸基团转移到非组蛋白的赖氨酸残基上，从而实现修饰。
“写入者”、“擦除者”和“阅读者”在调节乳酸化中起着核心作用，并形成一个相互依赖的动态网络，以响应代谢和信号线索微调乳酸化。乙酰转移酶（如作为写入者的p300）和去乙酰化酶（包括作为擦除者的HDAC家族成员）不仅执行各自的修饰，而且以协同或拮抗的方式相互作用，可能决定乳酸化与其他PTM之间的平衡。此外，这些调节因子的表达和活性高度依赖于环境。肿瘤细胞、浸润的免疫细胞和基质成分显示出不同的乳酸化相关酶表达模式，导致不同的功能结果。因此，跨多种细胞类型和微环境背景的系统性分析对于充分阐明癌症中的乳酸化动态至关重要，需要进一步的机制和转化研究。
4 糖酵解酶在癌症乳酸化中起重要作用
基于前述讨论，糖酵解不仅支持癌细胞的代谢需求，还通过糖酵解酶的活性有助于调节细胞内乳酸水平。鉴于肿瘤细胞对有氧糖酵解的依赖，糖酵解酶很可能作为乳酸化动态的关键调节因子，在癌症中作用尤其显著。在此背景下，糖酵解酶和乳酸化在癌细胞内的调节功能值得详细探讨。
4.1 葡萄糖转运蛋白
葡萄糖转运蛋白（GLUT）是一个包含14种不同亚型的家族，具有特殊功能，促进细胞外葡萄糖进入细胞质进行细胞代谢。鉴于葡萄糖代谢失调与癌症之间的强关联，GLUTs在肿瘤进展中起关键作用。新出现的证据表明，GLUT介导的葡萄糖转运与组蛋白乳酸化密切相关，从而影响肿瘤发展和免疫调节。例如，在胶质母细胞瘤（GBM）中，蛋白激酶R样内质网激酶（PERK）驱动GLUT1过表达，导致糖酵解增加和细胞内组蛋白乳酸化，从而促进IL-10分泌并建立免疫抑制微环境。在肝细胞癌（HCC）中，丝氨酸/精氨酸富集剪接因子（SRSF）介导的GLUT1和糖酵解酶上调诱导组蛋白乳酸化，并形成维持肿瘤进展的正反馈环。积累的乳酸被进一步转运到巨噬细胞中，触发H3K18乳酸化并促进M2极化，从而加强免疫耐受。除了这种调节，GLUTs还通过组蛋白乳酸化对肿瘤生长和侵袭产生直接影响。在胃癌中，GLUT3上调增强了H3K9、H3K18和H3K56处的组蛋白乳酸化，加速癌细胞增殖和迁移，这与不良预后相关。此外，在肺鳞状细胞癌中的研究表明，溶质载体家族2成员（SLC2A1）上调增加了GLUT1表达和组蛋白乳酸化，尽管其在肿瘤调控中的确切作用尚不清楚。这些发现突显了GLUTs、组蛋白乳酸化和肿瘤进展之间的相互作用，尽管它们的精确作用仍有待阐明。
4.2 己糖激酶
己糖激酶（HK）是糖酵解途径中的第一个限速酶，负责将葡萄糖磷酸化为葡萄糖-6-磷酸，从而启动糖酵解途径。HK有四种不同的亚型：HK1、HK2、HK3和HK4，已被发现通过代谢和非代谢功能调节各种癌症的发生和进展。最近的研究强调，HKs不仅在糖酵解中起关键作用，还通过组蛋白乳酸化调节细胞程序，从而参与多种细胞功能和病理过程。例如，在神经母细胞瘤中，已发现HK3可促进细胞内组蛋白乳酸化水平，并驱动巨噬细胞向M2表型极化，从而促进肿瘤进展，包括增殖、迁移和侵袭。这一发现表明，HK3可能不仅作为一种糖酵解酶，还通过调节免疫细胞状态作为肿瘤微环境（TME）的调节因子。在卵巢癌细胞中，丹参酮I处理抑制HK2的表达，减少乳酸产生，从而降低组蛋白H3K18的乳酸化水平，进而抑制包括苏氨酸酪氨酸激酶（TTK）、血小板衍生生长因子受体β（PDGFRβ）、YTH N6-甲基腺苷RNA结合蛋白2（YTHDF2）和Rubicon样自噬增强子（RUBCNL）在内的多个基因的表达。值得注意的是，HK2的类似调节作用不仅限于癌症。在小胶质细胞中，BTB结构域和CNC同源物1（BACH1）降低HK2表达，从而减少乳酸积累并降低H4K12的乳酸化水平，这影响了富含亮氨酸重复序列15（LRRC15）的表达，并调节小胶质细胞与星形胶质前体细胞之间的相互作用。在肝星状细胞（HSCs）中，HK2的表达和乳酸化影响细胞活化和肝纤维化。此外，H3K18乳酸化可以进一步上调HK2表达，形成正反馈环，帮助细胞在应激条件下维持高糖酵解活性。这种机制在各种病理状态下起着重要作用，表明糖酵解和乳酸化可能共同建立一个代谢-表观遗传学调控轴，使细胞能够适应各种环境压力。
4.3 磷酸果糖激酶-1
磷酸果糖激酶-1（PFK1）是糖酵解中的第二个限速酶，有三种亚型：PFKL、PFKP和PFKM。它催化果糖-6-磷酸转化为果糖-1,6-二磷酸（FBP）。研究表明，PFKM的乳酸化水平在正常成体组织中显著降低，而在心肌梗死后，PFKM的乳酸化水平显著升高。这表明PFKM催化位点附近的乳酸化修饰可以调节其催化活性和糖酵解速率，从而促进心脏再生。这项研究为心血管疾病研究提供了新的治疗思路。核受体亚家族4 A组成员3（NR4A3）已被证明可结合PFKL和醛缩酶的启动子区域，增强糖酵解，随后增加乳酸产生。由此产生的乳酸积累提高了H3K18乳酸化水平，上调磷酸酯酶1（Phospho1）的表达，并导致动脉钙化。
尽管PFK1尚未被证明直接调节肿瘤中的乳酸化过程，但越来越多的证据表明PFK1本身可以进行乳酸化，从而影响肿瘤进展。在结肠癌中，非组蛋白PFKP的乳酸化水平降低可增强其催化活性并促进糖酵解，而乳酸和PFKP乳酸化建立了一种负反馈机制，调节正常组织中的糖酵解。这一发现提出了糖酵解和乳酸化之间潜在动态平衡的可能性，值得在各种肿瘤类型中进行进一步研究，特别是确定这种负反馈机制是否有助于不同组织的代谢稳态。
4.4 醛缩酶
醛缩酶存在三种亚型：醛缩酶A、B和C，分布于人体不同组织。在糖酵解途径中，它催化FBP可逆转化为甘油醛-3-磷酸（GAP）。已发现醛缩酶在多种癌症中上调，在调节癌细胞增殖和迁移中起作用。尽管目前缺乏直接证据将醛缩酶与肿瘤中乳酸化调节联系起来，但新出现的研究表明醛缩酶可能间接参与调节乳酸化过程。例如，醛缩酶B激活下游效应分子，如癌胚抗原相关细胞黏附分子6（CEACAM6），以促进组蛋白乳酸化并促进肿瘤生物学。此外，在肝纤维化过程中，醛缩酶A显著上调，产生大量乳酸，驱动H3K18乳酸化积累，并调节与疾病进展相关的细胞程序。
在肿瘤背景下，已发现醛缩酶会发生乳酸化，进而调节其酶活性并影响癌细胞行为。在肝癌干细胞（LSCS）中，细胞增殖能力和糖酵解活性与醛缩酶A赖氨酸残基K230/K322和组蛋白3赖氨酸残基K56的乳酸化显著相关。这种乳酸化通过正反馈环促进组蛋白乳酸化，维持干细胞特性并增强肝癌发生。此外，基于遗传密码扩展（GCE）的分析表明，ALDOA-K147处的乳酸化重塑了其与FBP的相互作用，导致酶活性降低、稳定性增强和亚细胞分布改变，表明其作为癌症治疗靶点的潜力。
4.5 磷酸甘油酸激酶
磷酸甘油酸激酶（PGK）有两种亚型：PGK1和PGK2，其中PGK2仅在精子发生过程中表达，而PGK1存在于大多数细胞中。在糖酵解的第六步，PGK1催化1,3-二磷酸甘油酸可逆转化为3-磷酸甘油酸（3-PG），同时生成ATP。除了其经典的代谢作用外，PGK1还作为蛋白激酶发挥作用，磷酸化底物如Beclin1和丙酮酸脱氢酶激酶1（PDHK1），从而促进肿瘤发生。它还作为转录辅激活因子调节β-连环蛋白，影响肿瘤增殖和迁移。这些非代谢功能表明PGK1可能作为代谢和信号传导之间的桥梁，在癌细胞的适应性变化中起关键作用。此外，PGK1通过乙酰化、磷酸化、泛素化和糖基化等PTM影响肿瘤进展。最近的研究表明，在子宫内膜癌中，组蛋白H3K18的乳酸化水平显著增加，直接调节泛素特异性肽酶39（USP39）的表达。USP39通过去泛素化PGK1来稳定PGK1，并激活PI3K/AKT/HIF-1α信号通路，促进糖酵解。这形成了一个正反馈环，在肿瘤的恶性进展中起重要作用，表明乳酸化超越了组蛋白修饰，通过靶向PGK1等关键酶来调节癌症代谢适应。然而，PGK1是否发生乳酸化及其对酶活性和信号传导的影响尚不清楚。需要进一步研究以阐明乳酸化与其他PTM之间潜在的相互作用。
4.6 磷酸甘油酸变位酶
磷酸甘油酸变位酶（PGAM）催化2-磷酸甘油酸（2-PG）和3-PG之间的相互转化。在哺乳动物中，有两种亚型：PGAM1和PGAM2，其中PGAM1在癌症有氧糖酵解中起关键作用，并且与癌症患者的不良预后显著相关。研究发现PGAM1对肿瘤免疫具有显著的抑制作用。在乳腺癌细胞中，它调节C–C基序趋化因子配体2（CCL2）的表达，促进巨噬细胞募集和M2极化，从而诱导免疫抑制性TME并驱动肿瘤进展。癌细胞中PGAM1的过表达会损害CD8+T细胞的记忆和抗肿瘤功能，而在HCC中抑制PGAM1表达可增强CD8+T细胞浸润，表明其作为治疗靶点的潜力。然而，PGAM1的功能因癌症类型而异。一项研究表明，在结直肠癌中，PGAM1活性显著降低，导致3-PG积累和乳酸产生增加。乳酸通过组蛋白乳酸化修饰调节药物外排途径，包括ABC转运蛋白家族成员，从而降低细胞对化疗的敏感性。总之，PGAM与乳酸化之间的直接关系仍然复杂，需要进一步研究。
4.7 烯醇化酶
烯醇化酶在哺乳动物中存在三种亚型：Eno1、Eno2和Eno3。它催化2-PG可逆转化为磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），并在促进癌细胞存活、增殖和侵袭性方面起关键作用。例如，在HCC中，烯醇化酶1（ENO1）作为一种RNA结合蛋白，募集CCR4-NOT转录复合物亚基6（CNOT6）以促进癌细胞中铁调节蛋白1（IRP1）的mRNA衰变，从而抑制线粒体铁蛋白1（Mfrn1）的表达并抑制线粒体铁依赖性铁死亡。在有氧糖酵解中起功能关键作用的烯醇化酶上调促进癌细胞的代谢重编程和乳酸产生。乳酸积累不仅仅是代谢的副产品，还会改变表观遗传修饰。研究表明，在结直肠癌中，乳酸的积累导致H3K18的乳酸化，从而激活NOP2/Sun RNA甲基转移酶2（NSUN2）的转录。乳酸还直接修饰NSUN2的Lys356残基，增强其与m5C修饰RNA的结合能力，进一步促进ENO1的表达。这创造了一个正反馈环，促进癌症进展。此外，Jin等人发现丹参酮I可以抑制包括烯醇化酶在内的糖酵解酶的表达，降低H3K18乳酸化，并抑制相关癌基因的表达和翻译。这些研究表明，烯醇化酶可以作为一个有效的治疗靶点。
4.8 丙酮酸激酶
丙酮酸激酶（PK）是糖酵解中的第三个限速酶，催化PEP转化为丙酮酸，同时生成ATP。PK存在四种亚型：PKL、PKR、PKM1和PKM2，其中PKM2对癌细胞的有氧糖酵解至关重要。作为一种关键的代谢调节因子，乳酸不仅塑造TME，还通过乳酸化影响细胞转录，进一步驱动癌症进展。例如，在GBM中，PKM2与醛脱氢酶1家族成员A3（ALDH1A3）之间的相互作用增强了PKM2四聚化，促进乳酸积
