氨基酸通過mTORC1通路調節自噬的研究進展

崔夢竹,姜曉峰，梁紅艷

(哈爾濱醫科大學附屬第四醫院 檢驗科,黑龍江 哈爾濱150000)

細胞對營養物質可用性變化做出反應的能力對于維持代謝增生和生存能力至關重要。哺乳動物雷帕霉素(mTOR)靶蛋白是保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶,它是mTOR復合物1(mTORC1)的一部分,mTORC1是將氨基酸可利用性與細胞生長和自噬相結合的主要調節因子。自噬是一種溶酶體降解途徑,對細胞生存、分化、發育和體內平衡至關重要。自噬主要起到適應性作用,以保護生物免受包括感染、癌癥、神經變性、衰老和心臟病在內的多種病癥的侵害。在此我們對近年關于氨基酸通過mTORC1信號通路調節自噬的研究情況進行綜述,從而為臨床通過調節氨基酸濃度干預疾病發生發展提供思路和理論根據。

1 mTORC信號通路概述

1.1 mTOR基本概念

細胞和機體需要整合環境的有效信息來確保它們僅在有利的環境下生存。雷帕霉素(TOR)靶蛋白--高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶是各種環境因素的關鍵整合劑,包括營養狀態、生長因子及各種環境因素。mTOR是一種稱為雷帕霉素的分子靶標,具有廣泛的抗增殖性質。mTOR與幾種蛋白質相互作用以形成mTOR復合物1(mTORC1)和mTOR復合物2(mTORC2)的兩種不同復合物。mTORC1對營養刺激以及雷帕霉素(rapamycin,Rap)較敏感,主要接收并整合來自細胞內與細胞外的信號,如氨基酸等營養物質、胰島素等生長因子、能量水平和缺氧等環境壓力,參與細胞中轉錄、翻譯、自噬等調控。而mTORC2對Rap、生長因子和營養刺激等不敏感,主要參與調控肌動蛋白在細胞骨架中的組裝和細胞存活等過程[1]。

1.2 mTORC1 的上游信號轉導

雷帕霉素是mTORC1的一些生長因子和有絲分裂信號通路的下游介質,它們會抑制mTORC1負調節因子——結節性硬化癥復合物(TSC)的作用。TSC是一種包括TSC1/TSC2/TBC1D7的異源三聚體復合物,其功能為小GTP酶Rheb活化蛋白,直接結合并激活mTORC1[2]。mTORC1還響應與細胞生長不相容的細胞內和細胞外環境壓力,例如低ATP水平、缺氧或DNA損傷。除了葡萄糖依賴性胰島素釋放之外,由于膳食蛋白質的消化,攝食還導致血清氨基酸水平的增加。由于氨基酸不僅是蛋白質的基本組成部分,而且還是許多其他代謝途徑的能量和碳源,因此mTORC1活化與飲食誘導的氨基酸濃度變化緊密相關。

1.3 mTOR的下游信號傳導

1.3.1調節蛋白質合成

mTORC1主要通過磷酸化兩種關鍵效應蛋白 p70S6激酶1(p70S6 Kinase 1,S6K1)和eIF4E結合蛋白(eIF4E Binding Protein,4EBP)來促進蛋白質合成。 mTORC1在其疏水基位點Thr389處直接磷酸化S6K1,其隨后PDK1促進其磷酸化和活化。S6K1磷酸化和激活若干促進mRNA翻譯起始的底物,包括eIF4B(5`帽端結合eIF4F復合物的正調節物)。S6K1還磷酸化并促進eIF4B抑制劑PDCD4的降解,并通過其外顯子-連接復合物SKAR來增強剪接mRNA的翻譯效率[3]。Razaviyan J等[4]發現miR-3182、miR-557、miR-96可以作為三陰性乳腺癌靶向治療中mTOR和S6K的抑制劑。

1.3.2調節脂質、核苷酸和葡萄糖代謝

細胞生長需要足夠的脂質用于細胞膜形成延伸。mTORC1通過膽固醇響應元素結合蛋白(sterol responsive element binding protein,SREBP)轉錄因子促進新的脂質形成,它控制參與脂肪酸和膽固醇生物合成的基因表達。然而SREBP為了響應低水平膽固醇而活化,mTORC1信號同時可以通過S6K1依賴機制或抑制Lipin1(在不存在mTORC1信號時抑制SREBP)單獨激活SREBP[5]。最近的研究表明,mTORC1還促進核苷酸合成,以用于在細胞生長和增殖過程中的DNA復制和核糖體形成[1]。

1.3.3調節蛋白質轉換

mTORC1通過抑制蛋白質分解代謝促進細胞生長,尤其是細胞自噬過程。自噬早期的一個重要步驟是激活ULK1,其與AG13/FIP2000/ATG101形成酶復合物,并促進自噬體的形成。在營養充足時,mTORC1磷酸化ULK1(unc-51 like kinase 1),從而阻止其被重要的激活因子AMPK激活[6]。因此,在不同細胞狀態下mTORC1和AMPK的相對活性在很大程度上決定了誘導自噬發生的程度。mTORC1還通過磷酸化和抑制轉錄因子EB(TFEB)的核轉位在一定程度上調節自噬,該過程驅動溶酶體生物合成基因和自噬相關基因的表達[7]。

2 自噬

2.1 自噬調節途徑及生理作用

自噬是細胞應激源激活的主要分解代謝過程,包括營養和能量饑餓。自噬開始于自噬體的重新產生,自噬體是一種雙膜囊泡,其膨脹以吞噬相鄰的細胞質組分和細胞器。自噬體的形成是由一組被稱為ATG或“自噬相關”蛋白驅動。成熟的自噬體在與溶酶體融合后酸化形成自噬溶酶體[8]。與自噬體融合的溶酶體提供了腔酸水解酶,其降解捕獲的蛋白質、脂質、碳水化合物、核酸和細胞器以提供營養物質,然后通過溶酶體通透酶將其分泌回細胞質中,應激狀態下的細胞得以利用。

當營養豐富情況下,mTORC1 處于活化狀態,它可以通過磷酸化 ULK1和 ATG13來抑制細胞自噬,降低ULK1激酶活性[9,10]。當細胞需要生成細胞內營養物質和能量時,例如在饑餓、生長因子缺乏或高生物能需求時,它會迅速上調。當細胞準備進行結構重塑時(例如在發育過程中),或者例如在氧化應激、感染或蛋白質聚集體積聚過程中清除損傷的細胞質成分時,自噬也上調。營養狀況、激素和其它因素如溫度、氧濃度和細胞密度在控制自噬中很重要。自噬主要起到適應性作用,以保護生物免受包括感染、癌癥、神經變性、衰老和心臟病在內的多種病癥的侵害[11]。

2.2 氨基酸通過mTORC1調節自噬

自噬對氨基酸波動有反應的知識早于ATG基因的鑒定和克隆。1977年,Schworer及其同事表明,在沒有氨基酸的情況下灌注大鼠肝臟會迅速誘導自噬體數量[12]。隨后顯示支鏈氨基酸,特別是亮氨酸,是抑制蛋白質周轉和自噬重要因素[13]。

細胞溶質亮氨酸(Leu)和精氨酸(Arg)通過包含GATOR1和GATOR2復合物的獨特途徑傳遞mTORC1。GATOR1和GATOR2分別是mTORC1信號傳導的負調控和正調控因子。感應胞質氨基酸的一個重要因子是Sestrin2,它與GATOR2相互作用,在氨基酸缺失條件下抑制mTORC1信號傳導[14]。有趣的是,另一項最近的研究發現,Sestrin2通過應激反應轉錄因子ATF4在持續的氨基酸饑餓條件下被轉錄誘導,表明Sestrin2既是一種急性亮氨酸傳感器,也是一種長期氨基酸缺乏時的間接介質[15]。細胞質精氨酸還通過直接結合最近鑒定的精氨酸傳感器CASTOR1(mTORC1的細胞精氨酸傳感器),通過GATOR1/2-Rag途徑激活mTORC1。就像Sestrin2一樣,CASTOR1在沒有精氨酸的情況下結合并抑制GATOR2,并且在精氨酸結合時解離,使mTORC1活化。因此,亮氨酸和精氨酸兩者至少部分通過將GATOR2上的抑制劑解離,刺激mTORC1活性,建立以GATOR2為中心節點mTORC1氨基酸信號傳導途徑。

氨基酸介導的自噬抑制的關鍵下游效應物之一是mTOR。mTORC1的機制性靶點是一種整合主要信號傳導途徑的中樞細胞激酶,能夠調節包括巨自噬/自噬和溶酶體生物發生的合成和分解過程。這些過程的關鍵是TFEB的調節活性。在調節RRAG/Rag GTPases轉錄水平的調節反饋回路中,TFEB控制mTORC1與膜結合,并在營養補充時誘導合成代謝過程。

Jiang Y等[16]發現Arg/N端規則通路可能通過正向調節自噬通量,積極地保護細胞免受細胞應激,包括蛋白質毒性蛋白積累的有害影響。Zhou S等[17]發現精胺通過ATG5依賴性自噬抑制了肝細胞M1極化、Kupffer細胞M2極化,從而抑制肝內巨噬細胞促炎癥反應減輕急性肝損傷。研究發現自噬在ATG5或ATG7缺失的新生小鼠中顯著維持細胞營養物穩態。這些自噬缺陷小鼠出生后幾乎沒有身體缺陷和預測的孟德爾比率,在出生后24 h內死亡。強制喂養可以延長生存期,表明營養物質代謝在哺乳動物過早死亡方面其重要作用。關鍵代謝物的分析證實,自噬缺陷的新生兒患有全身氨基酸缺乏和葡萄糖水平降低。有趣的是,在培養的正常肝細胞中,蛋白質降解速率在饑餓時增加了總蛋白質的3%。幾乎所有這些增加都歸因于自噬。通過自噬進行材料回收是在營養限制時消耗細胞質成分所需的進化保守機制[18,19]。因此,在急性饑餓期間,自噬成為能夠暫時恢復細胞營養和能量平衡的必不可少的應激反應過程。

2.3 自噬與疾病的關系

Ik-Jung Kim 等[20]發現幽門螺旋桿菌產生的空泡毒素(VacA)對線粒體功能的影響與細胞氨基酸穩態的改變有關,這將抑制mTORC1和隨后的自噬。這種依賴VacA的mTORC1信號傳導的抑制與mTORC1從溶酶體表面解離有關,并導致通過Ulk1復合物激活細胞自噬。VacA中毒導致細胞氨基酸減少,增強氨基酸庫可防止VacA介導的mTORC1抑制。帕金森病(PD)是幾種神經變性疾病的集合之一,α-突觸核蛋白等蛋白質明顯增多。自噬功能障礙導致這種蛋白積聚和隨后的多巴胺能神經變性可能是PD的原因之一,膠質細胞成熟因子(GMF),一種腦局部炎癥蛋白,誘導PD多巴胺能神經變性,抑制GMF可以防止1-甲基-4-苯基吡啶離子(MPP,一種誘導體外實驗性PD的神經毒素)誘導的多巴胺能神經元的丟失[21,22]。Selvakumar GP等[23]證實了GMF通過自噬作用機制導致多巴胺能神經元的丟失,并提出GMF介導的自噬功能障礙是PD進展的促成因素之一。同時大量研究表明自噬可以預防或促進癌癥早期或者晚期腫瘤生長[24]。Di Fazio P等[25]發現自噬在肝腫瘤發生中起著基礎作用,其決定了非功能性蛋白質和細胞器的積累水平,這種降解機制的缺失可促使細胞改變其代謝狀態并轉變為惡性細胞。自噬蛋白Beclin-1的雜合功能喪失可觸發肝腫瘤的發生,甚至由最終的自溶酶體融合和降解過程的阻斷引起的蛋白質積累是導致肝癌發展的原因。Ke P Y等[26]發現自噬在促進宿主細胞丙型肝炎病毒(HCV)生命周期中起重要作用,且HCV可啟動細胞的多種信號通路表明自噬過程是平衡HCV-宿主細胞相互作用所必需的,并且參與HCV相關肝病的發病機制。Pankratz F等[27]發現MicroRNA-100在對血管損傷和炎癥的反應中具有抗炎功能,并且驗證了mTOR信號傳導和自噬是心血管系統中的新型重要調節劑。作者對miR-100作為潛在的保護性抗動脈粥樣硬化microRNA的研究表明,該microRNA的替代性治療可能是未來治療慢性炎性疾病(如動脈粥樣硬化)的潛在策略。作為乙酰膽堿的前體,膽堿通過抑制缺血性心肌細胞凋亡而保護心臟。Hang P等[28]發現膽堿可通過激活Akt/mTOR通路抑制過度自噬,從而預防心肌缺血再灌注(IR)損傷。

一個必然的問題是自噬功能是否隨著年齡的增長而下降,如果是這樣,這種下降是否會導致衰老和對年齡相關疾病的易感性。事實上,隨著嚙齒動物和人類的衰老,經典自噬(巨自噬)和分子伴侶介導的自噬都會降低。雖然衰老自噬減少的機制尚不清楚,但至少在嚙齒動物肝臟中已發現涉及對自噬激素調節(例如胰高血糖素,胰島素)的反應和自噬體降解的改變[29]。

3 結論與展望

根據以上研究表明氨基酸作為人體重要的營養物質之一在維持機體內環境穩態、正常代謝方面起著重要作用。氨基酸通過mTORC1途徑調節細胞自噬對于很多疾病的發生發展有重要影響,因此我們預測可以通過氨基酸濃度的調節對臨床疾病治療及預后產生幫助。