Les HDAC révélées comme architectes inattendus d'une marque protéique métabolique clé

L'acylation des protéines — l'attachement covalent de courtes chaînes carbonées aux résidus lysine — est un mécanisme de régulation majeur reliant le métabolisme cellulaire à l'expression des gènes et à la fonction des protéines. La lactylation de la lysine (Kla), dans laquelle le lactate forme une liaison amide avec la lysine, a été décrite pour la première fois en 2019 et a depuis été détectée sur des histones et des centaines de protéines non histoniques dans de nombreux types cellulaires. Bien qu'un mécanisme dépendant du lactyl-CoA, analogue à l'acétylation, ait été initialement proposé, le lactyl-CoA est bien moins abondant que l'acétyl-CoA dans les cellules, laissant ainsi le mécanisme dominant de formation de la Kla sans réponse.

S'appuyant sur leur découverte antérieure selon laquelle les HDAC de classe I peuvent effectuer leur réaction de désacylation canonique en sens inverse pour catalyser la β-hydroxybutyrylation de la lysine, les auteurs ont émis l'hypothèse que les HDAC pourraient de même favoriser la formation de la Kla. Dans un système de reconstitution acellulaire, les protéines recombinantes HDAC1, HDAC2 et HDAC3 ont chacune catalysé la Kla sur l'histone H3 en présence de L-lactate, et cette activité a été abolie par la trichostatine A (TSA), un inhibiteur pan-HDAC du site actif. La LC-MS/MS a confirmé la lactylation à plusieurs résidus lysine de H3, notamment K9, K14, K18, K23, K27, K36, K37, K56, K79 et K122. L'analyse cinétique réalisée à l'aide d'un peptide fluorogène a donné un kcat de 0,82 min⁻¹ et un Km d'environ 49 μM, confirmant que la réaction est biochimiquement réalisable aux concentrations physiologiques de lactate (0,5–20 mM). Des mutations ponctuelles dans le site actif de HDAC2 (H141A, H179A, Y304F) ont réduit l'activité de lactylation proportionnellement à leur effet sur la désacétylation, établissant que la même machinerie catalytique est à l'origine des deux réactions.

Dans des cellules HEK293T vivantes, le traitement par quatre inhibiteurs des HDAC de structures distinctes (butyrate, TSA, SAHA, MS-275) a globalement réduit les niveaux de Kla tout en augmentant l'acétylation de la lysine, comme attendu. Fait crucial, le traitement par les HDACi n'a pas modifié les concentrations intracellulaires de lactate ni de lactyl-CoA, écartant ainsi d'éventuels effets métaboliques indirects. L'extinction par siRNA de HDAC1, HDAC2 ou HDAC3, prise individuellement, a chacune réduit la Kla d'environ 50 %, et la triple extinction a produit la suppression la plus importante, indiquant une redondance fonctionnelle entre les trois paralogues. Les auteurs ont également généré des cellules HEK293T avec double knockout LDH-A/B, qui ont présenté une perte frappante de la Kla globale, perte restaurée par une supplémentation exogène en L-lactate — confirmant que le lactate issu de la glycolyse constitue le substrat principal. Les protéines modifiées par la Kla étaient les plus abondantes dans les fractions nucléaires et chromatiniennes, ce qui correspond à la distribution subcellulaire connue des HDAC 1, 2 et 3.

Une expérience de dialyse a démontré de manière élégante la réversibilité du processus : lorsque le lactate était retiré du tampon réactionnel, HDAC2 retirait le groupement lactyl de H3 ; lorsque des concentrations égales ou supérieures de lactate étaient maintenues, les niveaux de Kla étaient préservés ou augmentaient. Ce contrôle bidirectionnel — acylation à haute concentration de lactate, désacylation à faible concentration — offre un mécanisme moléculaire direct par lequel les cellules pourraient détecter l'état métabolique et l'encoder dans l'épigénome. Les auteurs ont également confirmé que les HDAC peuvent utiliser les deux stéréoisomères du lactate, L- et D-, ce qui distingue ce mécanisme de la voie p300/CBP, soumise à des contraintes stéréochimiques strictes.

Ces résultats recadrent les HDAC de classe I en tant que capteurs métaboliques capables d'écrire, et pas seulement d'effacer, les marques acyl sur les protéines. Ils suggèrent également que les inhibiteurs des HDAC — une classe de médicaments approuvés en oncologie et en psychiatrie — pourraient exercer une partie de leurs effets biologiques en modifiant les niveaux de Kla, ajoutant ainsi une dimension insoupçonnée à leur mécanisme d'action, avec des implications potentielles dans l'inflammation, le vieillissement et les maladies métaboliques.