林圣彩教授課題組發(fā)現(xiàn)感知葡萄糖調(diào)控mTORC1的感受器和機制
蛋白質(zhì)激酶AMPK和mTOR是細胞內(nèi)代謝調(diào)控的關(guān)鍵分子1。mTORC1是mTOR形成的復(fù)合體之一（另一個是mTORC2），在營養(yǎng)物質(zhì)充分時——包括在富含生長因子、氨基酸和葡萄糖等條件下（如飽食后），它能夠被激活，進而促進一系列合成代謝相關(guān)途徑的活化，使細胞開始合成蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核苷酸等“building blocks”，并可抑制自噬作用，促進營養(yǎng)物質(zhì)的儲存2。mTORC1的這一功能對于細胞增殖也是必需的：不論是在機體發(fā)育過程中，還是在腫瘤中，都常能觀察到mTORC1的高活力，它也因此成為抗腫瘤藥物篩選的重要靶點之一3。
正是因為mTORC1的重要性，關(guān)于它如何被上述營養(yǎng)物質(zhì)所調(diào)控的研究也就成為了相關(guān)領(lǐng)域的前沿問題。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，mTORC1是在溶酶體上被激活的。而兩類定位在溶酶體表面的小G蛋白Rheb和RAGs的活化，是mTORC1激活的關(guān)鍵4,5。目前的研究發(fā)現(xiàn)，生長因子能夠通過PI3K-AKT-TSC1/2途徑，通過活化Rheb，后者進一步結(jié)合mTORC1來促進其激活6。而不同的氨基酸既可以通過各自的受體，活化RAGs，促進mTORC1向溶酶體的遷移來激活mTORC17，也可以直接通過相對應(yīng)的氨酰tRNA合成酶，對RAGs進行相應(yīng)的修飾（如Leu-tRNA可以通過LARS，亮氨酰化修飾RAGA），從而激活mTORC18。此外，在氨基酸水平上升時，RAG抑制分子如GATOR1能被降解，從而引起RAGs的激活9。最近的研究還表明，來自于胞外的蛋白質(zhì)可以被降解成相應(yīng)的氨基酸，再通過GATOR1、RAGs激活mTORC110。相比較之下，葡萄糖對mTORC1調(diào)節(jié)的研究則遠不如前兩者充分。普遍的觀點認為，葡萄糖能通過AMPK調(diào)節(jié)mTORC1（如葡萄糖水平下降，則激活A(yù)MPK來抑制mTORC1）11，但后續(xù)的研究表明即使沒有AMPK，葡萄糖仍能調(diào)控mTORC1，說明了葡萄糖自身存在著調(diào)節(jié)mTORC1的獨立機制。2009年，韓國浦項科技大學(xué)的S.H.Ryu課題組率先報道了糖酵解途徑的代謝酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶（GAPDH）能夠感受葡萄糖的代謝產(chǎn)物甘油醛-3-磷酸（G3P）的水平，并在G3P水平上升時，離開Rheb，從而解除其對Rheb的抑制而激活mTORC112。后續(xù)的研究又陸續(xù)報道了PFK1、HK2等糖酵解代謝酶可以直接結(jié)合mTORC1調(diào)節(jié)其活力13,14。2012年，MIT的Sabatini課題組報道了在持續(xù)性激活的RAGA敲入小鼠中，mTORC1維持高活力并不受葡萄糖水平的調(diào)控，證明了RAGs也是葡萄糖調(diào)控mTORC1所必需，甚至是占有主導(dǎo)地位的15。但長久以來，葡萄糖如何被感受并經(jīng)由RAGs調(diào)節(jié)mTORC1一直未知。
最近，林圣彩教授課題組發(fā)表在Cell Research上的文章正是報道了這一過程16。他們課題組先前發(fā)現(xiàn)了饑餓時，葡萄糖能夠通過其代謝產(chǎn)物1,6-二磷酸果糖（FBP）水平的下降，再通過FBP空置的醛縮酶作為感受器，抑制陽離子（鈣）通道TRPV，進而抑制v-ATPase和Ragulator，從而激活A(yù)MPK的過程17-19。
鑒于在氨基酸調(diào)控mTORC1的過程中，v-ATPase也能夠通過調(diào)節(jié)Ragulator-RAGs進而調(diào)節(jié)mTORC1，于是他們嘗試探究葡萄糖是否也通過醛縮酶，被感知并介導(dǎo)mTORC1的調(diào)節(jié)。然而由于醛縮酶本身就是維持v-ATPase活力所必需20,21，他們發(fā)現(xiàn)敲低醛縮酶直接就引起了mTORC1的抑制，這為鑒定醛縮酶的葡萄糖感知對mTORC1活力調(diào)節(jié)作用帶來了很大的麻煩。為了解決這個問題，他們采用了醛縮酶的兩個突變體：D34S和K230A——前者能夠結(jié)合FBP但不能催化，代表了高糖情況下有FBP結(jié)合的醛縮酶；后者則不能結(jié)合FBP，代表了低糖時的醛縮酶——來模擬高糖和低糖下醛縮酶的狀態(tài)22,23。他們還進一步通過蛋白質(zhì)譜的方式，直接鑒定了兩個突變體上不同水平的“FBP化”修飾，從而確定了兩個突變體的準確性。用這兩個突變體，林圣彩課題組成功驗證了醛縮酶能夠通過結(jié)合FBP從而調(diào)節(jié)mTORC1的結(jié)論，也證明了醛縮酶就是Ragulator-RAGs這一途徑里的葡萄糖感受器。從這里我們可以看到，要準確地鑒定一個感受器并不是一件容易的事情，特別是很多感受器本身可能具有除感知代謝物之外的其它功能，因此“簡單粗暴”地敲除一個蛋白并不足以證明該問題，最好的辦法還是嘗試去還原其結(jié)合/不結(jié)合代謝物的本真狀態(tài)。
在本文的其它部分，他們還驗證了TRPV作為醛縮酶的下游，承接了醛縮酶傳遞的信號調(diào)節(jié)mTORC1的結(jié)論，并梳理了該條通路獨立于AMPK行使葡萄糖感知調(diào)節(jié)mTORC1的關(guān)系，又一次指出葡萄糖水平的下降本身的作用——此時是能通過醛縮酶直接抑制mTORC1。于是，醛縮酶在此行使了承接葡萄糖水平，同時調(diào)控AMPK和mTORC1兩大下游的“rheostat”的作用，成為了維持機體健康長壽的“晴雨表”。
除了揭示了葡萄糖通過RAGs調(diào)節(jié)mTORC1的機制以外，這篇文章又一次“加碼”了本就已經(jīng)十分復(fù)雜的mTORC1調(diào)節(jié)領(lǐng)域，也給我們帶來了很多新的思考:
首先，除了AMPK，醛縮酶并不是第一個被報道的，能夠響應(yīng)葡萄糖調(diào)節(jié)mTORC1的分子：如上所述，Rheb能夠被GAPDH——通過其結(jié)合/不結(jié)合G3P的形式所調(diào)節(jié)12，因此這些已知的葡萄糖感受器如何相互協(xié)調(diào)就是未來的一個主要的研究方向了。在本文中，作者們猜測，Rheb和RAGs可能在發(fā)揮了互補的作用，比如大部分的細胞中，RAGs對mTORC1的調(diào)節(jié)是主導(dǎo)的，但已有證據(jù)表明，敲除RAGs，Rheb仍能發(fā)揮調(diào)控mTORC1的作用24,25，因此葡萄糖對mTORC1的調(diào)控是多層次的（圖1）。有意思的是，還有研究表明，氨基酸和生長因子對mTORC1的調(diào)節(jié)也不是嚴格地分別經(jīng)由RAG和Rheb進行的：氨基酸可以通過Rheb26-28，生長因子也可以調(diào)節(jié)RAGs29，因此機體很可能通過這種“條條大路通羅馬”的方式保證了一個重要過程的準確調(diào)節(jié)。
圖1 葡萄糖通過其代謝產(chǎn)物多層次地調(diào)節(jié)mTORC1
其次，作者們還意外地發(fā)現(xiàn)，高糖狀態(tài)下的醛縮酶除了能被“FBP化”以外，還有相當(dāng)?shù)谋壤軌虮凰牧硪粋€底物DHAP所結(jié)合，這說明了一個感受器很可能不止感知一種代謝產(chǎn)物。有意思的是，前不久Sabatini課題組發(fā)表在Nature Metabolism上的文章也指出，DHAP是調(diào)節(jié)mTORC1的一個重要的代謝物30，盡管他們并未證明哪一個蛋白是DHAP的感受器，而且實驗體系也有一定問題：敲除醛縮酶后的mTORC1已被“組成型”地失活，因而他們只觀察到DHAP對mTORC1活力的“微小”變化，更不必說這一變化可能來源于GAPDH對Rheb的互補調(diào)節(jié)12。但僅就目前看來，醛縮酶很可能具有同時感受DHAP和FBP來調(diào)節(jié)mTORC1的能力。
順便一提，Sabatini小組也曾嘗試去研究葡萄糖是否通過已確定在氨基酸感知中起重要作用的GATOR1來感知葡萄糖，以達到調(diào)節(jié)mTORC1的活力。他們發(fā)現(xiàn)敲除GATOR1之后，葡萄糖饑餓不再抑制mTORC1。但該實驗仍無法證明葡萄糖確實通過GATOR1調(diào)節(jié)mTORC1，因為敲除了GATOR1，mTORC1呈現(xiàn)組成型激活，不僅是葡萄糖，包括氨基酸在內(nèi)的任何營養(yǎng)物質(zhì)都不再能調(diào)節(jié)mTORC1了31。故此，葡萄糖和氨基酸的信號是否能、以及如何被協(xié)調(diào)從而調(diào)節(jié)mTORC1，還等待著我們繼續(xù)去探索。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-020-00456-8
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（文/圖 林圣彩課題組）
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