芦荟大黄素（Aloe emodin）是一种来源于芦荟或大黄的天然蒽醌衍生物，具有抗炎、抗氧化、抗肿瘤等功能的中药单体，可通过抑制活性氧（ROS）生成，对心肌梗死具有保护作用。放疗过程中辐射诱发心脏损伤 （RIHD），导致心肌的病理改变，其中心脏纤维化是最常见的表现。
研究发现，高水平的乳酸与心脏纤维化之间存在正相关。作为一种新型的翻译后修饰，乳酸化被认为是炎症级联反应和心脏损伤的关键介质。如研究发现乳酸堆积促进Snail1的乳酸化，促进MI后心脏纤维化。但芦荟大黄素及乳酸化在保护辐射诱导的心脏损伤方面的调节机制尚不清楚。
近日，南华大学附属第二医院临床研究中心高安博、中南大学湘雅医学院附属株洲医院欧阳繁、李昱堃团队在Advanced Science杂志上发表题为"Aloe Emodin Alleviates Radiation-Induced Heart Disease via Blocking P4HB Lactylation and Mitigating Kynurenine Metabolic Disruption"文章，系统解析了芦荟大黄素通过抑制P4HB乳酸化进而改善辐射引起的心脏损伤的作用机制。
该研究通过蛋白质组学和乳酸化修饰组学技术，鉴定到芦荟大黄素通过抑制蛋白二硫键异构酶 （P4HB） K311位点的乳酸化，并揭示其改善心脏损伤的作用机制：芦荟大黄素能通过抑制P4HB K311乳酸化和减少SH3GLB1（含有SH3结构域的GRB2样蛋白B1）介导的mitoROS积累，来抑制NDP52诱导的线粒体自噬，从而减轻放射性心脏损伤。为预防放射性心脏疾病提供了新治疗策略。景杰生物为其提供了乳酸化修饰组学、蛋白质组学技术支持和乳酸化修饰泛抗体抗体。
01
芦荟大黄素通过抑制炎症级联反应减轻辐射引起的心脏损伤
鉴于放射治疗的癌症患者体内炎症因子水平上升，与心脏损伤相关。研究发现芦荟大黄素能够显著降低接受放射治疗患者中的炎症因子水平。构建大鼠模型后发现芦荟大黄素处理能够改善心脏功能，减少纤维化，抑制胶原蛋白积累，从而减轻放射性心脏损伤。
研究团队早期结果表明线粒体功能障碍与低剂量X-射线辐射有关。这里研究发现芦荟大黄素能够减少线粒体长度、面积以及线粒体与核的比例，减少线粒体活性氧（mitoROS）积累，恢复线粒体功能和结构。此外，研究还发现芦荟大黄素通过抑制P4HB/PTGS2/SH3GLB1/NDP52轴诱导的级联炎症反应，降低线粒体自噬激活来减轻RIHD症状。
图1 芦荟大黄素通过抑制炎症级联反应减轻辐射引起的心脏损伤
02
抑制PTGS2与SH3GLB1的结合是芦荟大黄素抑制NDP52诱导的线粒体自噬的关键
为了进一步研究芦荟大黄素调节线粒体自噬的机制， 研究通过蛋白质组学，锁定到与放射治疗的抗性有关的蛋白质PTGS2，研究发现X射线处理后PTGS2蛋白表达显著上调，而芦荟大黄素处理后可显著降低PTGS2的表达水平。
此外，研究还发现芦荟大黄素能抑制PTGS2与SH3GLB1的相互作用，减少线粒体活性氧积累，降低NDP52诱导的线粒体自噬，这一过程涉及抑制p-GSK3B的核转录。这些结果表明PTGS2是诱导线粒体自噬的关键介质。
通过构建GFP-SH3GLB1-△SH3质粒（缺失SH3结构域的SH3GLB1），进行Co-IP等实验证实了芦荟大黄素通过影响SH3GLB1的SH3结构域来抑制线粒体自噬，减少线粒体功能障碍和自噬蛋白表达。
图2 抑制PTGS2与SH3GLB1的结合是降低NDP52诱导的线粒体自噬的主要原因
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芦荟大黄素通过抑制P4HB K311位点乳酸化，减少X射线诱导的线粒体自噬
临床中，心力衰竭患者血清中的乳酸水平普遍偏高，且与心脏损伤患者的死亡率有关，这通常伴有乳酸化修饰的过程。为了明确芦荟大黄素是否通过乳酸化来影响心脏损伤的调节，研究人员首先利用景杰生物乳酸化修饰泛抗体（PTM-1401）验证后发现，芦荟大黄素以剂量和时间依赖性方式抑制乳酸化修饰水平。
进一步，通过对X射线或芦荟大黄素处理的H9C2细胞进行乳酸化修饰组学分析，发现了Ca3、P4HB、EeF2等多个差异调控蛋白。其中芦荟大黄素与P4HB存在高亲和力。同时，乳酸化修饰组学揭示了K311是P4HB被乳酸化的位点。
那么P4HB是否可以通过SH3GLB1/NDP52轴调节PTGS2介导的线粒体自噬激活呢？研究人员利用点突变实验发现，P4HB K311是线粒体自噬激活中抑制芦荟大黄素的关键位点。同时，P4HB K311位点的乳酸化通过与PTGS2相互作用，可调节SH3GLB1介导的mitoROS积累，进而影响线粒体自噬。
图3 芦荟大黄素通过抑制P4HB K311位点乳酸化，减少X射线诱导的线粒体自噬
04
芦荟大黄素改善GOT2介导的犬尿氨酸代谢失衡，以缓解心脏损伤
犬尿氨酸代谢在心血管疾病中起着重要作用，特别是与心脏氧化应激有关。GOT2为犬尿氨酸代谢的重要调控酶。蛋白组学和乳酸化修饰组学的数据显示，P4HB和GOT2之间存在高度潜在相关性。免疫印迹等实验发现，X射线处理后犬尿氨酸代谢蛋白表达水平显著上调，但芦荟大黄素处理后仍保持不变。同时，芦荟大黄素处理后可显著降低GOT2与P4HB相互作用。
此外，GOT2与线粒体自噬相关蛋白的结合也受到芦荟大黄素处理的抑制。这些数据提示GOT2介导的犬尿氨酸代谢参与NDP52诱导的线粒体自噬。
最后，犬尿氨酸补充实验发现，0.01μm L-犬尿氨酸使斑马鱼的心脏形态和功能明显受损，而1μm芦荟大黄素部分恢复了心脏功能并减少了受损面积，进一步阐明了芦荟大黄素对心脏损伤的保护作用。
图4 芦荟大黄素改善GOT2介导的犬尿氨酸代谢失衡，以缓解心脏损伤
综上所述，该研究发现芦荟大黄素可通过抑制p-GSK3B转录到细胞核中来抑制PTGS2与SH3GLB1上的SH3结构域的相互作用，从而减少mitoROS的积累。机制上，X射线导致心肌细胞中发生乳酸堆积，其中P4HB在K311处的乳酸化通过P4HB和PTGS2的相互作用促进mitoROS积累和线粒体自噬激活，促进了RIHD的发展。
图5 研究模式图
景杰评述
蛋白质组学及翻译后修饰组学越来越多地应用于药物科学领域，当中西药的机制研究结合组学新颖的研究思路、先进的技术优势，全面的生信分析后，可以帮助我们获得对药物作用机制更深的理解力和洞察力，例如，本文不仅系统阐述了中药单体——芦荟大黄素通过抑制乳酸化修饰，缓解辐照诱导心脏损伤的具体机制，也为该药物用于临床治疗提供了有力的理论支撑。
整体回看本文的研究思路，首先是从表型观察出发，发现中药单体“芦荟大黄素”与辐射引起的心脏损伤密切相关。而后通过蛋白质组学鉴定到心脏损伤的关键蛋白PTGS2。系列的免疫印迹、Co-IP等实验挖掘了芦荟大黄素影响线粒体自噬的关键过程（PTGS2与SH3GLB1的互作）和结构域（SH3）。并通过乳酸化修饰组学发现并验证了P4HB K311的乳酸化在减少线粒体自噬中的重要作用。最终回归到临床验证，外施芦荟大黄素对心脏损伤具有保护作用。这样一整套的研究流程是对中药调控疾病机制研究的一个典型的参考案例，十分值得我们参考借鉴。
2024年，正值乳酸化修饰发现五周年，乳酸化修饰调控的深刻内涵和重要研究价值日益显现。在不到一年的时间里，4篇乳酸化重磅成果登上CNS正刊。一系列明星蛋白，如p53，cGAS等均可发生乳酸化修饰并改变它们的功能。同时，L-/D-/ce-三种修饰异构体的区分，亦使乳酸化的功能解析更加精细。乳酸化的精准研究已经迈向了全新时代！
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