揭示肝纤维化新的潜在治疗靶点

撰文 | 咸姐

己糖激酶（HK）通过磷酸化葡萄糖产生葡萄糖-6-磷酸来催化葡萄糖代谢的第一步，其捕获细胞内的葡萄糖并增加细胞的葡萄糖利用率。其中HK2（其蛋白质的氨基末端和羧基末端具有两个活性催化结构域）被证明可被高糖酵解增殖细胞（如癌细胞）利用来加速葡萄糖代谢，即使在有氧的情况下。然而，这种加速不仅提供了足够的糖酵解中间体来支持细胞的合成代谢需求，而且不可避免地伴随着代谢最终产物的形成增加，如乳酸【1,2】。乳酸很长时间都被认为是葡萄糖代谢的废物，通过排泄被细胞丢弃。然而，越来越多的证据表明，乳酸可以作为一种信号分子、能量底物和免疫调节分子发挥重要作用，其也在表观遗传改变中起着不可忽视的作用，即组蛋白乳酸化。与组蛋白乙酰化类似，组蛋白末端赖氨酸残基上的组蛋白乳酸化修饰也可直接促进基因转录，但两者的基因表达特征却不同【3,4】。毫无疑问，探索组蛋白乳酸化在各种生理和病理过程中的潜在作用可能会为治疗人类疾病提供新的治疗策略。

肝纤维化是由多种慢性肝损伤引起的异常创伤修复反应，表现为弥漫性细胞外基质 (ECM) 过度沉积和结缔组织异常增生，它可能进一步发展为肝硬化、肝衰竭或肝癌。迄今为止，伴有肝纤维化的慢性肝病在世界范围内引起了显著的发病率和死亡率，并有增加的趋势。尽管有报道早期肝纤维化是可逆的，但逆转肝纤维化的详细机制尚不清楚，目前，除肝移植外，尚无治疗肝纤维化的有效方法【5】。在肝损伤期间，静息的肝星状细胞（HSC）被激活并转分化为α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）阳性的肌成纤维细胞，是纤维化肝脏中胶原生成细胞的主要贡献者。最近的研究发现，包括有氧糖酵解在内的代谢重编程是HSC活化的一个关键特征，抑制有氧糖酵解可阻止HSC的激活【6,7】。有研究观察到在HSC激活过程中有氧糖酵解的增强会增加乳酸的产生，但乳酸与HSC激活相关的潜在机制仍然未知。

近日，来自美国伊利诺伊大学芝加哥分校的Nissim Hay在Cell Metabolism上在线发表题为Hexokinase 2-mediated gene expression via histone lactylation is required for hepatic stellate cell activation and liver fibrosis的文章，发现HK2诱导的乳酸可促进组蛋白乳酸化，从而控制HSC活化并导致肝纤维化，并证明通过HSC特异性或系统性HK2缺失来抑制组蛋白乳酸化可以减轻HSC的激活和肝纤维化，为肝纤维化的有效治疗提供了新的潜在靶点。

本文研究人员首先在细胞中过表达野生型（WT）HK2和活性催化结构域突变（SA）的HK2，发现HK2的表达通过增加糖酵解而增加了细胞内乳酸和乙酰辅酶A的水平，但它只影响了组蛋白乳酸化水平，而组蛋白乙酰化没有增加，甚至还有些许降低。以H3第18位赖氨酸上的乳酸化（H3K18la）和乙酰化（H3K18ac）为例，研究人员进行了CUT&Tag（蛋白质-DNA互作关系研究的新方法，能在全基因组范围内检测与组蛋白、转录因子等互作的DNA片段）以期阐明它们的潜在功能意义，发现两种组蛋白修饰主要位于启动子区，而且在WT-HK2细胞中，H3K18la峰在转录起始位点（TSS）附近增加，但H3K18ac峰没有，甚至略有降低。同样的，大多数基因以H3K18la增加为标志，而没有任何H3K18ac的显著诱导。

那么，HK2的表达和乳酸是如何通过组蛋白乳酸化影响整体基因表达的呢？研究人员首先通过外源乳酸处理优化组蛋白乳酸化水平与WT-HK2细胞相似，然后通过RNA测序分析，发现外源性乳酸处理的细胞与WT-HK2细胞的基因表达改变具有相似的模式，其中有493个基因在两者细胞中表达均上调，它们的启动子区域也都有H3K18la标志。进一步分析显示，H3K18标记的基因参与基因表达、RNA和蛋白质代谢过程以及蛋白质修饰过程的调控，由此证实HK2的表达提高了糖酵解活性和乳酸的产生，从而通过H3K18la影响基因表达。

基于以上发现，研究人员开始探索在HSC激活过程中，HK2产生的乳酸是否也可能通过组蛋白乳酸化影响相关基因的表达呢？研究人员利用肝纤维化小鼠模型，发现在肝纤维化小鼠的肝脏原代HSC中，HK2的表达被强烈诱导，而在健康肝脏的静息HSC中已经表达的HK1在活化的HSC中也仅被轻微诱导。体外培养激活静息HSC也得出类似的结果。同时，实验结果显示，活化的HSC中糖酵解活性显著升高，导致体内和体外的活化过程中H3K18la均被诱导。相反，H3K18ac存在于静息的HSC中，其水平在体内激活的HSC中保持不变，在体外激活时则被抑制，提示HSC激活可能需要H3K18la而不需要H3K18ac。临床样本验证也得出同样的结论，由此表明诱导的HK2表达和糖酵解活性可能通过H3K18la在小鼠和人活化的HSC中发挥作用。进一步实验发现，H3K18la，而不是H3K18ac，在HSC激活过程中的基因表达诱导中起主要作用，激活的HSC中的绝大多数基因的启动子区被H3K18la标记，H3K18la可能调控着代表HSC主要特征的关键基因。

随后，研究人员对HK2进行基因缺失，发现其可以通过降低H3K18la来抑制HSC的激活，而外源性乳酸（而非乙酸）的补充可以使其恢复。与此同时，通过药物或siRNA干扰乳酸的产生也可降低H3K18la和HSC激活诱导基因的表达，这也可通过外源性乳酸的补充得以恢复。这些结果表明组蛋白乳酸化在HSC激活和随后的基因表达诱导中起着关键作用。组蛋白去乙酰化酶（HDAC）可催化组蛋白赖氨酸残基上乙酰基的去除，导致染色质缩合，抑制基因转录。研究人员实验发现，Ⅰ类HDAC抑制剂可诱导H3K18ac，其与H3K18la在组蛋白H3上的相同赖氨酸18残基上竞争，从而抑制了H3K18la，导致H3K18la依赖性基因表达下调，HSC失活。进一步地构建HSC特异性缺失HK2的小鼠模型，实验结果显示，HSC特异性缺失Hk2可减轻HSC中的H3K18la并抑制肝纤维化，而慢性全身乳酸治疗可恢复胶原沉积和α-SMA表达。同样的，全身性抑制HK2也可抑制HSC的激活，由此显示HK2可能为肝纤维化的治疗靶点。

综上所述，本研究揭示了HK2介导的乳酸产生通过组蛋白乳酸化影响基因表达，证实在活化的HSC中诱导HK2的表达对于HSC的激活至关重要，并且由HK2表达引起的组蛋白乳酸化决定了HSC激活后的基因表达，提示对HK2/H3K18la轴的干预是肝纤维化的一种潜在治疗策略。

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2023.06.013

制版人：十一

参考文献

1. Vander Heiden, M.G., Cantley, L.C., and Thompson, C.B. (2009). Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation.Science324, 1029–1033.

2. Lunt, S.Y., and Vander Heiden, M.G. (2011). Aerobic glycolysis: meeting the metabolic requirements of cell proliferation.Annu. Rev. Cell Dev. Biol.27, 441–464.

3. Brooks, G.A. (2018). The science and translation of lactate shuttle theory.Cell Metab. 27, 757–785.

4. Zhang, D., et al. (2019). Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation.Nature574, 575–580.

5. Tan, Z., et al. (2021). Liver fibrosis: therapeutic targets and advances in drug therapy.Front. Cell Dev. Biol.9, 730176.

6. Sherman, M.H. (2018). Stellate cells in tissue repair, inflammation, and cancer.Annu. Rev. Cell Dev. Biol.34, 333–355.

7. Trivedi, P., Wang, S., and Friedman, S.L. (2021). The power of plasticitymetabolic regulation of hepatic stellate cells.Cell Metab.33, 242–257.