《Nature Communications》：SOD1 lactylation impair its enzymatic activity by conformational change to aggravate intervertebral disc degeneration
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乳酸鹽積累如何加劇椎間盤退變（IVDD）的機制尚不明確。本研究揭示乳酸鹽誘導的SOD1K123位點乳酰化修飾是IVDD惡化的關鍵。該修飾通過改變SOD1構象、削弱其酶活性，進而引發氧化損傷并激活p53通路。研究人員還發現小分子ZL-01可抑制該修飾，并通過II型膠原靶向肽修飾的細胞外囊泡遞送有效緩解了雄性大鼠的IVDD，為IVDD治療提供了新靶點與新策略。
背景與問題：
隨著人口老齡化加劇，下腰痛已成為全球主要的公共衛生負擔，而椎間盤退變是其主要病理基礎。在退變的椎間盤中，缺氧和無糖酵解代謝使得髓核細胞大量產生乳酸，導致微環境中乳酸異常積聚。過去的研究已證實乳酸積累是椎間盤退變的一個標志和促進因素，但其具體的作用機制，特別是乳酸能否通過修飾蛋白質來發揮長期、穩定的調控功能，一直是領域內的未解之謎。蛋白質乳酰化作為一種新近發現的、由乳酸驅動的翻譯后修飾，是否在椎間盤退變中扮演關鍵角色，是本研究旨在回答的核心科學問題。
關鍵研究方法：
本研究采用了多層次、多組學的技術體系來系統解析問題。首先，通過代謝組學（metabolomics）和乳酰化蛋白質組學（lactylation proteomics）描繪了椎間盤退變過程中的乳酰化修飾全景圖，并結合單細胞RNA測序（single-cell RNA-sequencing）進行了關聯分析。在機制探索上，綜合運用了體外位點定向誘變（in vitro site-directed mutagenesis）、在體構建SOD1K123R點突變雄性大鼠模型，以及計算機分子動力學模擬（in silico molecular dynamics simulations）來驗證特定修飾位點的功能。在治療策略開發部分，通過篩選獲得了小分子抑制劑ZL-01，并利用II型膠原靶向肽修飾的細胞外囊泡（extracellular vesicles）實現了對髓核細胞的靶向遞送，最終在大鼠模型中驗證了療效。實驗所用樣本來源于椎間盤退變模型。
研究結果：
- 1.
椎間盤退變中的乳酰化修飾圖譜與關鍵靶點鑒定
通過乳酰化蛋白質組學分析，研究人員首次繪制了椎間盤退變過程中的乳酰化修飾譜，即“乳酰組”景觀。通過差異分析，他們從眾多發生乳酰化修飾的蛋白質中，鎖定超氧化物歧化酶1在賴氨酸123位點的乳酰化修飾是一個顯著上調且可能與疾病進程密切相關的關鍵事件。
- 2.
SOD1K123la修飾導致其構象與功能異常
為了驗證SOD1K123la的功能，研究團隊展開了系列實驗。體外位點突變實驗表明，模擬持續乳酰化的突變體會損害SOD1清除超氧自由基的酶活性。更為重要的是，分子動力學模擬從原子層面揭示，發生在蛋白表面的K123位點乳酰化，會通過長程效應改變蛋白質核心區域的構象，特別是影響其與銅鋅輔因子結合的關鍵結構域，從而在分子機制上解釋了其酶活性喪失的原因。
- 3.
SOD1K123la通過誘發氧化損傷與激活p53通路加劇退變
在細胞功能層面，研究發現SOD1K123la所導致的酶活性喪失，使得髓核細胞內的活性氧（ROS）水平顯著升高，造成氧化損傷。這種持續的氧化應激進一步激活了細胞內的p53信號通路，最終促進了髓核細胞的衰老和細胞外基質（如II型膠原和蛋白聚糖）的降解，模擬了椎間盤退變的核心病理表型。
- 4.
體內基因編輯模型證實SOD1K123la的致病角色
為了在活體動物中驗證該修飾的必要性，研究人員構建了SOD1K123R點突變（該突變可模擬去乳酰化狀態）的雄性大鼠。與野生型退變大鼠相比，突變大鼠的椎間盤退變程度顯著減輕，髓核細胞中氧化損傷和p53通路激活也得到明顯抑制，這直接證明了SOD1K123la是驅動椎間盤退變惡化不可或缺的關鍵環節。
- 5.
靶向抑制SOD1K123la為椎間盤退變提供治療新策略
基于上述機制，研究團隊進行了小分子抑制劑篩選，并發現了能夠特異性抑制SOD1K123la修飾的化合物ZL-01。為了將藥物精準遞送至病變的髓核組織，他們利用髓核細胞外基質中富含的II型膠原的特性，設計了II型膠原靶向肽，并用其修飾細胞外囊泡作為藥物載體。體內實驗表明，這種靶向遞送系統能有效將ZL-01富集于退變椎間盤，顯著抑制SOD1乳酰化，緩解氧化損傷和細胞外基質降解，從而成功延緩了大鼠椎間盤退變的進展。
結論與意義：
本研究系統闡明了乳酸積累加劇椎間盤退變的一種全新表觀遺傳調控機制。研究發現，乳酸并非僅作為代謝廢物，更能通過誘導核心抗氧化酶SOD1發生K123位點乳酰化修飾，以一種“代謝記憶”的方式，長期損害其酶活性。這導致了髓核細胞內持續的氧化應激和p53通路激活，從而驅動細胞退變和基質破壞。該工作不僅首次將蛋白質乳酰化修飾與椎間盤退變病因直接聯系起來，擴展了人們對代謝物功能的認識，還為椎間盤退變的治療提供了極具前景的新靶點（SOD1K123la）和新策略（小分子抑制劑聯合靶向遞送系統）。這項發表于《自然·通訊》的研究，為從“代謝-修飾-功能”角度理解并干預退行性疾病提供了重要范式。
