Diese Studie etablierte eine Methode, die genetische Code-Erweiterung nutzt, um Lactyllysin (Klac) erfolgreich an bestimmten Stellen des humanen Enolase-1 (hENO1) und Superfolder-GFP (sfGFP) in Escherichia coli und Säugetierzellen einzubinden.
Methodenartikel
Diese Studie etablierte eine Methode, die genetische Code-Erweiterung nutzt, um Lactyllysin (Klac) erfolgreich an bestimmten Stellen des humanen Enolase-1 (hENO1) und Superfolder-GFP (sfGFP) in Escherichia coli und Säugetierzellen einzubinden.
Lactylation ist eine kürzlich entdeckte posttranslationale Modifikation (PTM) mit vielfältigen biologischen Funktionen. Seit seiner ersten Identifizierung im Jahr 2019 als Regulator der Makrophagenpolarisation hat sich die Histonlaktylierung als zentrales Bindeglied zwischen dem zellulären Stoffwechsel und der funktionellen Regulation etabliert. Biochemisch beinhaltet sie den kovalenten Transfer einer Laktylgruppe auf Lysinreste, vermittelt entweder durch Laktyltransferasen mit Laktyl-CoA als Acylspender oder durch Aminoacyl-tRNA-Synthetasen (AARS) über ein Laktyl-AMP-Zwischenprodukt. Durch diese Mechanismen sind die intrazellulären Laktatspiegel direkt mit der Proteinmodifikation und -funktion verknüpft. Lactylation vermittelt eine Reihe kritischer zellulärer Prozesse, von physiologischen Funktionen wie Genregulation, DNA-Reparatur, metabolischer Umprogrammierung und Immunmodulation bis hin zu pathologischen Prozessen wie Tumorprogression und Metastasen. Trotz der Identifizierung zahlreicher Laktylationsstellen durch Proteomik bleibt die ortsspezifische Lysinlaktylierung durch Mutagenese eine Herausforderung. Um dies zu beheben, setzen wir eine genetische Code-Erweiterungstechnologie ein, wobei wir eine lactyl-lysin-spezifische Aminoacyl-tRNA-Synthetase (KlacRS) und deren verwandte tRNA verwenden, um Laktyllysin (Klac) präzise an bestimmten Residuen einzubinden. Diese Strategie ermöglicht die Erzeugung homogen laktylierter Proteinvarianten für direkte funktionelle Studien. Hier beschreiben wir ein vereinfachtes Protokoll für die standortspezifische Proteinlaktylierung, validiert sowohl in Escherichia coli (E. coli) als auch in Säugetierzellen, wobei humane Enolase-1 (hENO1) und Superfolder GFP (sfGFP) als Modellsysteme verwendet werden.
Die Lysinlaktylierung (Klac), ursprünglich auf Histonen identifiziert, hat sich als Schlüsselknoten herauskristallisiert, der aberranten Tumorstoffwechsel mit epigenetischer Regulation1 verbindet. Die Ansammlung von Laktat, die durch eine verbesserte aerobe Glykolyse in Tumorzellen entsteht, bildet eine metabolische Grundlage für die Laktylierung, sodass Laktat nicht nur als metabolisches Nebenprodukt, sondern als Signalmolekül wirkt, das die Proteinfunktion direkt moduliert. Zunehmende Evidenz deutet darauf hin, dass die Laktylierung breit am Tumoriniti und -progression beteiligt ist, indem sie die Proliferation von Krebszellenkoordiniert 2,3,4,5, Metastasen6, metabolische Reprogrammierung 7 und therapeutische Resistenz 8,9.
Auf phänotypischer Ebene ist erhöhte Laktylierung eng mit einer verstärkten Tumoraggressivität verbunden. Zum Beispiel fördert die H3K18-Laktylierung beim klaren Zellkarzinom (ccRCC) die Proliferation und Metastase, indem sie den thrombozytenabgeleiteten Wachstumsfaktorrezeptor β (PDGFRβ) hochreguliert und eine positive Rückkopplungsschleife zwischen Laktatansammlung und onkogener Signalübertragung10 etabliert. Ähnlich steuert bei Darmkrebs (CRC) erhöhte H3K18-Laktylierung das Tumorprogression durch verstärkte Transkription des Rubicon-ähnlichen Autophagie-Enhancers (RUBCNL) an, fördert so die Autophasosomreifung und unterstützt das Überleben der Krebszellen11.
Über die direkten Auswirkungen auf die Tumoraggressivität hinaus vermittelt die Laktylierung auch die metabolische Umprogrammierung des Tumors, indem sie die Expression und Aktivität stoffwechselbedingter Gene moduliert. Bei nicht-kleinzelligem Lungenkrebs (NSCLC) verringert die Histonlaktylierung die glykolysebedingten Enzyme, während sie die Enzyme des Trikarboxylsäurezyklus (TCA) hochreguliert, was die Glukoseaufnahme der Tumorzellen erhöht und die metabolische Dysregulation verschärft12. Konsequent zeigt das globale Laktylom-Profiling, dass die Laktylierung bevorzugt Enzyme anvisiert, die an zentralen Stoffwechselwegen beteiligt sind, darunter Glukosestoffwechsel, TCA-Zyklus, Aminosäure-/Fettsäurestoffwechsel, und diese Modifikationen korrelieren stark mit aggressiven Tumorphänotypen7.
Wichtig ist, dass die biologischen Folgen der Laktylierung stark vom Ort abhängig sind, und diese Modifikation hat sich als entscheidender Faktor für therapeutische Tumorresistenz erwiesen. Im CRC verbessert die K673-Laktylierung der meiotischen Rekombination 11 (MRE11) die Reparatur der homologen Rekombination (HR) und verleiht damit Resistenz gegen Chemotherapie und Poly(ADP-ribose) Polymerase-(PARP)-Inhibitoren13. Beim Glioblastom (GBM) erhöht die Interaktion zwischen Aldehyddehydrogenase-1-Familienmitglied A3 (ALDH1A3) und Pyruvat-Kinase M2 (PKM2) die Laktatproduktion und induziert anschließend die K247-Laktylierung des Röntgenreparatur-Cross-Komplement-Proteins 1 (XRCC1), um die DNA-Schadensreparatur zu verbessern und so die Radioresistenz und die Chemoresistenz14 von Temozolomid (TMZ) zu fördern. Diese Studien zeigen gemeinsam, dass eine präzise Kontrolle der Laktylierung an definierten Lysinresten für mechanistische Dissektion und therapeutische Zielsetzung unerlässlich ist.
Fortschritte in der hochauflösenden Massenspektrometrie haben eine weit verbreitete Laktylierung über metabolische Enzyme, Transkriptionsfaktoren und Signaltransducer aufgedeckt, was ihre weitreichende Rolle bei der Kontrolle des Stoffwechsels, der Signaltransduktion und der zelluläraPhysiologie unterstreicht. Bis heute wurden mehrere Writer-Enzyme berichtet, die die Laktylierung katalysieren – zum Beispiel vermittelt AARS1 die P53-Laktylierung zur Förderung der Tumorigenese19, und AARS1/2 reguliert die cGAS-Laktylierung, um die angeborene Immunität zu unterdrücken – dennoch sind diese Enzyme substratselektiv und können derzeit keine vollständig ortsspezifische Laktylierung auf beliebigen Proteinenerreichen. Daher bleibt das Fachgebiet herausgefordert, wie Klac gezielt für Forschungs- oder therapeutische Zwecke manipuliert werden kann.
Funktionelle Studien basieren weiterhin überwiegend auf ortsgerichteter Mutagenese – typischerweise wird ein Lysin (K) durch Glutamin (Q) ersetzt, um den ungeladenen Zustand von Acyl-Lysin-Modifikationen wie Acetylierung oder Laktylierung 21,22,23,24 nachzuahmen. Dieser Ansatz hat jedoch erhebliche Einschränkungen bei der getreuen Rekapitulation der nativen Laktylierung: Die chemische Struktur und Seitenkettengeometrie von Glutamin unterscheiden sich von der eines laktylierten Lysins, und wichtig ist, dass eine K-zu-Q-Substitution nicht zwischen acetylierten und laktylierten Zuständen unterscheiden kann, wenn beide Modifikationen an derselben Stelle auftreten könnten.
Die genetische Code-Erweiterung (GCE) bietet eine wirkungsvolle Lösung für diese Einschränkungen, indem sie die direkte Einbindung nichtkanonischer Aminosäuren an definierten Stellen in Proteine ermöglicht. Durch ein positives Screening einer Methanosarcina mazei pyrrolysyl-tRNA-Synthetase (MmPylRS) Mutantenbibliothek haben wir zuvor eine Variante mit Klac-abhängigem Wachstum identifiziert. Dieser Mutant, der die Mutationen L301M, Y306L, L309A und C348F trägt, wurde als KlacRS125,26 bezeichnet. KlacRS1 aminoacyliert seine verwandte orthogonale tRNA mit Klac, unterdrückt das bernsteinfarbene Stop-Codon und ermöglicht eine effiziente, ortsspezifische Einbindung von Klac in Zielproteine. Neben KlacRS1 wurden mehrere weitere aaRS-Varianten berichtet, die Klac integrieren können, darunter MbPylRS-abgeleitete LacKRS (L270I/Y271L/L274A/C313F) und LacKRS3 (Y271M/C313S)19,27 sowie ein Mm-PylRS-abgeleitetesLacKRS (C348T/Y384F)28. Zusammen schaffen diese Werkzeuge ein vielseitiges genetisches Werkzeugkasten zur Herstellung von standortspezifisch laktylierten Proteinvarianten zum Verständnis der biologischen Folgen einzelner Laktylierungsereignisse.
In unseren früheren Studien haben wir dieses GCE-basierte System angewendet, um ALDOA-Proteine mit standortspezifischer Laktylierung bei Lys147 sowohl in E. coli- als auch in Säugetierzellen zu exprimieren. Funktionale Analysen zeigten, dass die Laktylierung bei Lys147 einen negativen Rückkopplungseffekt auf die Glykolyse ausübt, die thermische und chemische Stabilität von ALDOA verbessert und dessen Translokation vom Zytoplasma in den Zellkern fördert. Diese Ergebnisse zeigten nicht nur einen bisher unbekannten regulatorischen Mechanismus von ALDOA, sondern bestätigten auch die Robustheit, Vielseitigkeit und praktische Nützlichkeit dieser ortsspezifischen Laktylationsplattform25,26. Aufbauend auf dieser Grundlage verwenden wir hier humane Enolase-1 (hENO1) und Superfolder GFP (sfGFP) als repräsentative Beispiele, um eine optimierte Strategie für präzise Klac-Einbindung mit unserem orthogonalen KlacRS/tRNA-System zu beschreiben.
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1. Amber-Stop-Codon-Mutagenese zur genetischen Kodierung von Lactyllysin in das Zielgen
2. Expression des laktylierten Proteins in E.-coli-Zellen .
3. Genetische Codierung von Lactyllysin in HEK 293T-Zellen.
4. His-Tag-Reinigung von laktyliertem Protein in E.-coli-Zellen .
5. Biochemische Charakterisierung des laktylierten Proteins
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Zunächst untersuchten wir die Inkorporationsspezifität von Klac in Proteine in E. coli. Das Gen für humane Enolase 1 (hENO1) wurde so konstruiert, dass es am Rest K89 (hENO1-89TAG) ein bernsteinfarbenes Stoppcodon enthält, und dieses Konstrukt wurde mit dem orthogonalen KlacRS und seinem verwandten tRNA-Paar in E. coli koexprimiert. Ohne 1 mM Klac-Supplementierung wurde kein hENO1 in voller Länge nachgewiesen; im Gegensatz dazu wurde bei der Zugabe von 1 mM Klac zum Wachstumsmedium ein vollwert...
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Hier beschreiben wir eine Strategie zur ortsspezifischen Einbindung von Klac in Proteine sowohl in prokaryotischen als auch in eukaryotischen Zellen. Durch die Einführung eines bernsteinfarbenen Stop-Codons an der gewünschten Position des Zielgens und die Ko-Expression mit dem orthogonalen KlacRS/tRNA-Paar in Wirtszellen kann authentisches Lactyllysin präzise in Proteine lebender Zellen integriert werden und bietet so ein leistungsstarkes Werkzeug zur Erforschung laktylierungsspezifische...
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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (22377058), der interdisziplinären Finanzierung für Synthetische Biologie in der traditionellen chinesischen Medizin durch die Nanjing University of Chinese Medicine sowie den National High-Level Talent Special Support Programs (10,000 Talents Program) – Young Talents unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 6*sein, sein Tag Rekombinanter monoklonaler Antikörper | Proteintech | 84814-1-RR | Eine Klasse spezifischer Immunglobuline, die auf die 6&-Zeiten abzielt; Sein Tag (ein kurzes Peptid, bestehend aus sechs aufeinanderfolgenden Hisidinresten, HHHHHH) in rekombinanten Proteinen. |
| ACQUITY UPLC-System | Gewässer | UltraPerformance-Flüssigkeitschromatographie | |
| Anti-L-Lactyllysin-Kaninchen-MAb | PTM Biolabs | PTM-1401RM | Eine Klasse spezifischer Immunglobuline, die auf L-Lactyl Lysin (Klac) abzielen, eine posttranslationale Modifikation (PTM) von Proteinen. |
| ClonExpress II One Step Klon-Kit | Vazyme | C112 | Basierend auf einfacher, schneller und effizienter DNA-nahtloser Klontechnologie können Einfügungsfragmente richtungsweise in jede Stelle jedes beliebigen Vektors geklont werden. |
| CytoFlex-Durchflusszytometer | Beckmann Coulter | Durchflusszytometer mit hochempfindlicher Detektion und Mehrfarbanalysefunktion | |
| DH10B | Biorabbit | EC005H-S | Eine Art kompetenter Zellen für Plasmidtransformation, Genklonierung und Blue-White-Screening. |
| DH5α | Vazyme | C502 | Eine Art kompetenter Zellen für Plasmidtransformation, Genklonierung und Blue-White-Screening. |
| EASY-nano LC 1200 System | Thermo Fisher Scientific | Nanoflüssigchromatographie zur Trennung hochempfindlicher, hochauflösender komplexer Proben | |
| Orbitrap-Finsternis-Tribrid-Massenspektrometer | Thermo Fisher Scientific | ein Flaggschiff-High-End-Tribrid-Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie-(LC-MS)-System | |
| Phanta Max Super-Fidelity DNA-Polymerase | Vazyme | P505 | Ein hochpräzises Einzelenzym, das schnelle Amplifikation und Genauigkeit kombiniert |
| PolyJet | SignaGen | SL100688 | PolyJet DNA In Vitro Tranfektionsreagenz ist als leistungsstarkes Transfektionsreagenz formuliert, das eine effektive und reproduzierbare Transfektion mit geringerer Zytotoxizität gewährleistet. |
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