Gli HDAC Scoperti come Architetti Inaspettati di un Segno Proteico Metabolico Chiave

L'acilazione proteica — il legame covalente di brevi catene carboniose ai residui di lisina — è un importante meccanismo di regolazione che collega il metabolismo cellulare all'espressione genica e alla funzione proteica. La lattilazione della lisina (Kla), in cui il lattato forma un legame amidico con la lisina, è stata descritta per la prima volta nel 2019 e da allora è stata rilevata sugli istoni e su centinaia di proteine non istoniche in diversi tipi cellulari. Sebbene inizialmente fosse stato proposto un meccanismo dipendente dal lattil-CoA, analogo all'acetilazione, il lattil-CoA è molto meno abbondante dell'acetil-CoA nelle cellule, lasciando irrisolto il meccanismo predominante di formazione della Kla.

Basandosi sulla loro precedente scoperta che gli HDAC di classe I possono eseguire la loro reazione di deacilazione canonica in senso inverso per catalizzare la β-idrossibutirrilazione della lisina, gli autori hanno ipotizzato che gli HDAC potessero analogamente promuovere la formazione di Kla. In un sistema di ricostituzione cell-free, HDAC1, HDAC2 e HDAC3 ricombinanti hanno ciascuno catalizzato la Kla sull'istone H3 in presenza di L-lattato, e questa attività è stata abolita dall'inibitore del sito attivo pan-HDAC trichostatin A (TSA). La LC-MS/MS ha confermato la lattilazione su più residui di lisina di H3, tra cui K9, K14, K18, K23, K27, K36, K37, K56, K79 e K122. L'analisi cinetica mediante un peptide fluorogenico ha restituito un kcat di 0,82 min⁻¹ e un Km di ~49 μM, confermando la fattibilità biochimica della reazione alle concentrazioni fisiologiche di lattato (0,5–20 mM). Mutazioni puntiformi nel sito attivo di HDAC2 (H141A, H179A, Y304F) hanno ridotto l'attività di lattilazione in modo proporzionale al loro effetto sulla deacetilazione, dimostrando che lo stesso macchinario catalitico guida entrambe le reazioni.

In cellule HEK293T in coltura, il trattamento con quattro inibitori degli HDAC strutturalmente distinti (butirrato, TSA, SAHA, MS-275) ha ridotto ampiamente i livelli globali di Kla, aumentando contestualmente l'acetilazione della lisina, come atteso. Aspetto cruciale, il trattamento con HDACi non ha alterato le concentrazioni intracellulari di lattato né di lattil-CoA, escludendo effetti metabolici indiretti. Il silenziamento genico mediato da siRNA di HDAC1, HDAC2 o HDAC3 singolarmente ha ridotto la Kla di circa il 50% ciascuno, mentre il triplo knockdown ha prodotto la soppressione più marcata, indicando una ridondanza funzionale tra i tre paraloghi. Gli autori hanno inoltre generato cellule HEK293T con doppio knockout di LDH-A/B, che hanno mostrato una drastica riduzione della Kla globale, ripristinata dalla supplementazione esogena di L-lattato — confermando il lattato derivato dalla glicolisi come substrato primario. Le proteine modificate con Kla erano più abbondanti nelle frazioni nucleari e della cromatina, in accordo con la nota distribuzione subcellulare degli HDAC 1, 2 e 3.

Un esperimento di dialisi ha dimostrato in modo elegante la reversibilità del processo: quando il lattato veniva rimosso dal tampone di reazione, HDAC2 rimuoveva il gruppo lattile da H3; quando il lattato veniva mantenuto a concentrazioni uguali o superiori, i livelli di Kla si conservavano o aumentavano. Questo controllo bidirezionale — acilazione ad alto lattato, deacilazione a basso lattato — fornisce un meccanismo molecolare diretto attraverso cui le cellule potrebbero rilevare e codificare lo stato metabolico nell'epigenoma. Gli autori hanno inoltre confermato che gli HDAC possono utilizzare entrambi gli stereoisomeri del lattato, L e D, distinguendo questo meccanismo dalla via p300/CBP, che è stereochimica mente ristretta.

Questi risultati ridefiniscono gli HDAC di classe I come sensori metabolici capaci di scrivere, e non solo cancellare, marcature aciliche sulle proteine. Suggeriscono inoltre che gli inibitori degli HDAC — una classe di farmaci approvati per il cancro e le patologie psichiatriche — possano esercitare alcuni dei loro effetti biologici alterando i livelli di Kla, aggiungendo un livello finora non riconosciuto al loro meccanismo d'azione, con potenziali implicazioni per l'infiammazione, l'invecchiamento e le malattie metaboliche.