HDACs als unerwartete Architekten einer wichtigen metabolischen Proteinmarkierung entdeckt

Proteinacylierung – die kovalente Anheftung kurzer Kohlenstoffketten an Lysinreste – ist ein zentraler Regulationsmechanismus, der den zellulären Stoffwechsel mit Genexpression und Proteinfunktion verbindet. Die Lysinlactylierung (Kla), bei der Lactat eine Amidbindung mit Lysin eingeht, wurde erstmals 2019 beschrieben und seitdem auf Histonen sowie Hunderten von Nicht-Histon-Proteinen in verschiedenen Zelltypen nachgewiesen. Obwohl zunächst ein Lactyl-CoA-abhängiger Mechanismus analog zur Acetylierung vorgeschlagen wurde, ist Lactyl-CoA in Zellen weit weniger abundant als Acetyl-CoA, sodass der vorherrschende Mechanismus der Kla-Bildung ungeklärt blieb.

Aufbauend auf ihrer früheren Entdeckung, dass Klasse-I-HDACs ihre kanonische Deacylierungsreaktion umkehren und dadurch die Lysin-β-Hydroxybutyrylierung katalysieren können, stellten die Autoren die Hypothese auf, dass HDACs möglicherweise auch die Kla-Bildung vorantreiben. In einem zellfreien Rekonstituierungssystem katalysierten rekombinantes HDAC1, HDAC2 und HDAC3 jeweils die Kla auf Histon H3 in Gegenwart von L-Lactat; diese Aktivität wurde durch den pan-HDAC-Aktivitätsstellen-Inhibitor Trichostatin A (TSA) vollständig aufgehoben. LC-MS/MS bestätigte die Lactylierung an mehreren H3-Lysinresten, darunter K9, K14, K18, K23, K27, K36, K37, K56, K79 und K122. Die kinetische Analyse mittels eines fluorogenen Peptids ergab einen kcat von 0,82 min⁻¹ und einen Km von ~49 μM, was die biochemische Machbarkeit der Reaktion bei physiologischen Lactatkonzentrationen (0,5–20 mM) bestätigt. Punktmutationen im aktiven Zentrum von HDAC2 (H141A, H179A, Y304F) reduzierten die Lactylierungsaktivität proportional zu ihrem Effekt auf die Deacetylierung und belegten damit, dass dieselbe katalytische Maschinerie beide Reaktionen antreibt.

In lebenden HEK293T-Zellen senkten vier strukturell unterschiedliche HDAC-Inhibitoren (Butyrat, TSA, SAHA, MS-275) den globalen Kla-Spiegel deutlich, während die Lysinacetylierung erwartungsgemäß anstieg. Entscheidend war, dass die HDACi-Behandlung die intrazellulären Lactat- oder Lactyl-CoA-Konzentrationen nicht veränderte, womit indirekte metabolische Effekte ausgeschlossen wurden. Die siRNA-vermittelte Einzelausschaltung von HDAC1, HDAC2 oder HDAC3 reduzierte die Kla jeweils um ~50 %, während der dreifache Knockdown die stärkste Suppression bewirkte – ein Hinweis auf funktionelle Redundanz unter den drei Paralogen. Die Autoren generierten außerdem LDH-A/B-Doppel-Knockout-HEK293T-Zellen, die einen ausgeprägten Verlust der globalen Kla zeigten, der durch exogene L-Lactat-Supplementierung wiederhergestellt werden konnte – ein Beleg dafür, dass glykolytisch erzeugtes Lactat das primäre Substrat darstellt. Kla-modifizierte Proteine waren am stärksten in nukleären und chromatinassoziierten Fraktionen vertreten, was der bekannten subzellulären Verteilung von HDAC1, 2 und 3 entspricht.

Ein Dialyseexperiment veranschaulichte die Reversibilität auf elegante Weise: Bei Entfernung von Lactat aus dem Reaktionspuffer entfernte HDAC2 die Lactylgruppe von H3; bei gleicher oder höherer Lactatkonzentration blieben die Kla-Spiegel erhalten oder stiegen an. Diese bidirektionale Kontrolle – Acylierung bei hohem Lactat, Deacylierung bei niedrigem Lactat – liefert einen direkten molekularen Mechanismus, durch den Zellen ihren Stoffwechselzustand im Epigenom erfassen und kodieren könnten. Die Autoren bestätigten zudem, dass HDACs beide Lactat-Stereoisomere, L- und D-Lactat, verwenden können, was diesen Mechanismus vom stereochemisch eingeschränkten p300/CBP-Weg unterscheidet.

Diese Befunde ordnen Klasse-I-HDACs neu als Stoffwechselsensoren ein, die Acylmarkierungen auf Proteinen nicht nur entfernen, sondern auch setzen. Darüber hinaus legen sie nahe, dass HDAC-Inhibitoren – eine Klasse zugelassener Krebs- und Psychopharmaka – einen Teil ihrer biologischen Wirkungen durch Veränderung des Kla-Spiegels entfalten könnten, was ihrer Wirkungsweise eine bisher unbekannte Dimension verleiht und potenzielle Implikationen für Entzündung, Alterung und Stoffwechselerkrankungen hat.