崔夢竹,姜曉峰，梁紅艷

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第四醫(yī)院 檢驗科,黑龍江 哈爾濱150000)

細(xì)胞對營養(yǎng)物質(zhì)可用性變化做出反應(yīng)的能力對于維持代謝增生和生存能力至關(guān)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(fù)合物1(mTORC1)的一部分,mTORC1是將氨基酸可利用性與細(xì)胞生長和自噬相結(jié)合的主要調(diào)節(jié)因子。自噬是一種溶酶體降解途徑,對細(xì)胞生存、分化、發(fā)育和體內(nèi)平衡至關(guān)重要。自噬主要起到適應(yīng)性作用,以保護(hù)生物免受包括感染、癌癥、神經(jīng)變性、衰老和心臟病在內(nèi)的多種病癥的侵害。在此我們對近年關(guān)于氨基酸通過mTORC1信號通路調(diào)節(jié)自噬的研究情況進(jìn)行綜述,從而為臨床通過調(diào)節(jié)氨基酸濃度干預(yù)疾病發(fā)生發(fā)展提供思路和理論根據(jù)。

1 mTORC信號通路概述

1.1 mTOR基本概念

細(xì)胞和機(jī)體需要整合環(huán)境的有效信息來確保它們僅在有利的環(huán)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(huán)境因素的關(guān)鍵整合劑,包括營養(yǎng)狀態(tài)、生長因子及各種環(huán)境因素。mTOR是一種稱為雷帕霉素的分子靶標(biāo),具有廣泛的抗增殖性質(zhì)。mTOR與幾種蛋白質(zhì)相互作用以形成mTOR復(fù)合物1(mTORC1)和mTOR復(fù)合物2(mTORC2)的兩種不同復(fù)合物。mTORC1對營養(yǎng)刺激以及雷帕霉素(rapamycin,Rap)較敏感,主要接收并整合來自細(xì)胞內(nèi)與細(xì)胞外的信號,如氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)、胰島素等生長因子、能量水平和缺氧等環(huán)境壓力,參與細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄、翻譯、自噬等調(diào)控。而mTORC2對Rap、生長因子和營養(yǎng)刺激等不敏感,主要參與調(diào)控肌動蛋白在細(xì)胞骨架中的組裝和細(xì)胞存活等過程[1]。

1.2 mTORC1 的上游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

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(zhì),它們會抑制mTORC1負(fù)調(diào)節(jié)因子——結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合物(TSC)的作用。TSC是一種包括TSC1/TSC2/TBC1D7的異源三聚體復(fù)合物,其功能為小GTP酶Rheb活化蛋白,直接結(jié)合并激活mTORC1[2]。mTORC1還響應(yīng)與細(xì)胞生長不相容的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外環(huán)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(zhì)的消化,攝食還導(dǎo)致血清氨基酸水平的增加。由于氨基酸不僅是蛋白質(zhì)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(dǎo)的氨基酸濃度變化緊密相關(guān)。

1.3 mTOR的下游信號傳導(dǎo)

1.3.1調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成

mTORC1主要通過磷酸化兩種關(guān)鍵效應(yīng)蛋白 p70S6激酶1(p70S6 Kinase 1,S6K1)和eIF4E結(jié)合蛋白(eIF4E Binding Protein,4EBP)來促進(jìn)蛋白質(zhì)合成。 mTORC1在其疏水基位點(diǎn)Thr389處直接磷酸化S6K1,其隨后PDK1促進(jìn)其磷酸化和活化。S6K1磷酸化和激活若干促進(jìn)mRNA翻譯起始的底物,包括eIF4B(5`帽端結(jié)合eIF4F復(fù)合物的正調(diào)節(jié)物)。S6K1還磷酸化并促進(jìn)eIF4B抑制劑PDCD4的降解,并通過其外顯子-連接復(fù)合物SKAR來增強(qiáng)剪接mRNA的翻譯效率[3]。Razaviyan J等[4]發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)脂質(zhì)、核苷酸和葡萄糖代謝

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

1.3.3調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換

mTORC1通過抑制蛋白質(zhì)分解代謝促進(jìn)細(xì)胞生長,尤其是細(xì)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(fù)合物,并促進(jìn)自噬體的形成。在營養(yǎng)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(xì)胞狀態(tài)下mTORC1和AMPK的相對活性在很大程度上決定了誘導(dǎo)自噬發(fā)生的程度。mTORC1還通過磷酸化和抑制轉(zhuǎn)錄因子EB(TFEB)的核轉(zhuǎn)位在一定程度上調(diào)節(jié)自噬,該過程驅(qū)動溶酶體生物合成基因和自噬相關(guān)基因的表達(dá)[7]。

2 自噬

2.1 自噬調(diào)節(jié)途徑及生理作用

自噬是細(xì)胞應(yīng)激源激活的主要分解代謝過程,包括營養(yǎng)和能量饑餓。自噬開始于自噬體的重新產(chǎn)生,自噬體是一種雙膜囊泡,其膨脹以吞噬相鄰的細(xì)胞質(zhì)組分和細(xì)胞器。自噬體的形成是由一組被稱為ATG或“自噬相關(guān)”蛋白驅(qū)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(zhì)、脂質(zhì)、碳水化合物、核酸和細(xì)胞器以提供營養(yǎng)物質(zhì),然后通過溶酶體通透酶將其分泌回細(xì)胞質(zhì)中,應(yīng)激狀態(tài)下的細(xì)胞得以利用。

當(dāng)營養(yǎng)豐富情況下,mTORC1 處于活化狀態(tài),它可以通過磷酸化 ULK1和 ATG13來抑制細(xì)胞自噬,降低ULK1激酶活性[9,10]。當(dāng)細(xì)胞需要生成細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)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(diào)。當(dāng)細(xì)胞準(zhǔn)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)重塑時(例如在發(fā)育過程中),或者例如在氧化應(yīng)激、感染或蛋白質(zhì)聚集體積聚過程中清除損傷的細(xì)胞質(zhì)成分時,自噬也上調(diào)。營養(yǎng)狀況、激素和其它因素如溫度、氧濃度和細(xì)胞密度在控制自噬中很重要。自噬主要起到適應(yīng)性作用,以保護(hù)生物免受包括感染、癌癥、神經(jīng)變性、衰老和心臟病在內(nèi)的多種病癥的侵害[11]。

2.2 氨基酸通過mTORC1調(diào)節(jié)自噬

自噬對氨基酸波動有反應(yīng)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(dǎo)自噬體數(shù)量[12]。隨后顯示支鏈氨基酸,特別是亮氨酸,是抑制蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)和自噬重要因素[13]。

細(xì)胞溶質(zhì)亮氨酸(Leu)和精氨酸(Arg)通過包含GATOR1和GATOR2復(fù)合物的獨(dú)特途徑傳遞mTORC1。GATOR1和GATOR2分別是mTORC1信號傳導(dǎo)的負(fù)調(diào)控和正調(diào)控因子。感應(yīng)胞質(zhì)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(dǎo)[14]。有趣的是,另一項最近的研究發(fā)現(xiàn),Sestrin2通過應(yīng)激反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子ATF4在持續(xù)的氨基酸饑餓條件下被轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo),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(zhì)[15]。細(xì)胞質(zhì)精氨酸還通過直接結(jié)合最近鑒定的精氨酸傳感器CASTOR1(mTORC1的細(xì)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(jié)合并抑制GATOR2,并且在精氨酸結(jié)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(jié)點(diǎn)mTORC1氨基酸信號傳導(dǎo)途徑。

氨基酸介導(dǎo)的自噬抑制的關(guān)鍵下游效應(yīng)物之一是mTOR。mTORC1的機(jī)制性靶點(diǎn)是一種整合主要信號傳導(dǎo)途徑的中樞細(xì)胞激酶,能夠調(diào)節(jié)包括巨自噬/自噬和溶酶體生物發(fā)生的合成和分解過程。這些過程的關(guān)鍵是TFEB的調(diào)節(jié)活性。在調(diào)節(jié)RRAG/Rag GTPases轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)反饋回路中,TFEB控制mTORC1與膜結(jié)合,并在營養(yǎng)補(bǔ)充時誘導(dǎo)合成代謝過程。

Jiang Y等[16]發(fā)現(xiàn)Arg/N端規(guī)則通路可能通過正向調(diào)節(jié)自噬通量,積極地保護(hù)細(xì)胞免受細(xì)胞應(yīng)激,包括蛋白質(zhì)毒性蛋白積累的有害影響。Zhou S等[17]發(fā)現(xiàn)精胺通過ATG5依賴性自噬抑制了肝細(xì)胞M1極化、Kupffer細(xì)胞M2極化,從而抑制肝內(nèi)巨噬細(xì)胞促炎癥反應(yīng)減輕急性肝損傷。研究發(fā)現(xiàn)自噬在ATG5或ATG7缺失的新生小鼠中顯著維持細(xì)胞營養(yǎng)物穩(wěn)態(tài)。這些自噬缺陷小鼠出生后幾乎沒有身體缺陷和預(yù)測的孟德爾比率,在出生后24 h內(nèi)死亡。強(qiáng)制喂養(yǎng)可以延長生存期,表明營養(yǎng)物質(zhì)代謝在哺乳動物過早死亡方面其重要作用。關(guān)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(yǎng)的正常肝細(xì)胞中,蛋白質(zhì)降解速率在饑餓時增加了總蛋白質(zhì)的3%。幾乎所有這些增加都?xì)w因于自噬。通過自噬進(jìn)行材料回收是在營養(yǎng)限制時消耗細(xì)胞質(zhì)成分所需的進(jìn)化保守機(jī)制[18,19]。因此,在急性饑餓期間,自噬成為能夠暫時恢復(fù)細(xì)胞營養(yǎng)和能量平衡的必不可少的應(yīng)激反應(yīng)過程。

2.3 自噬與疾病的關(guān)系

Ik-Jung Kim 等[20]發(fā)現(xiàn)幽門螺旋桿菌產(chǎn)生的空泡毒素(VacA)對線粒體功能的影響與細(xì)胞氨基酸穩(wěn)態(tài)的改變有關(guān),這將抑制mTORC1和隨后的自噬。這種依賴VacA的mTORC1信號傳導(dǎo)的抑制與mTORC1從溶酶體表面解離有關(guān),并導(dǎo)致通過Ulk1復(fù)合物激活細(xì)胞自噬。VacA中毒導(dǎo)致細(xì)胞氨基酸減少,增強(qiáng)氨基酸庫可防止VacA介導(dǎo)的mTORC1抑制。帕金森病(PD)是幾種神經(jīng)變性疾病的集合之一,α-突觸核蛋白等蛋白質(zhì)明顯增多。自噬功能障礙導(dǎo)致這種蛋白積聚和隨后的多巴胺能神經(jīng)變性可能是PD的原因之一,膠質(zhì)細(xì)胞成熟因子(GMF),一種腦局部炎癥蛋白,誘導(dǎo)PD多巴胺能神經(jīng)變性,抑制GMF可以防止1-甲基-4-苯基吡啶離子(MPP,一種誘導(dǎo)體外實驗性PD的神經(jīng)毒素)誘導(dǎo)的多巴胺能神經(jīng)元的丟失[21,22]。Selvakumar GP等[23]證實了GMF通過自噬作用機(jī)制導(dǎo)致多巴胺能神經(jīng)元的丟失,并提出GMF介導(dǎo)的自噬功能障礙是PD進(jìn)展的促成因素之一。同時大量研究表明自噬可以預(yù)防或促進(jìn)癌癥早期或者晚期腫瘤生長[24]。Di Fazio P等[25]發(fā)現(xiàn)自噬在肝腫瘤發(fā)生中起著基礎(chǔ)作用,其決定了非功能性蛋白質(zhì)和細(xì)胞器的積累水平,這種降解機(jī)制的缺失可促使細(xì)胞改變其代謝狀態(tài)并轉(zhuǎn)變?yōu)閻盒约?xì)胞。自噬蛋白Beclin-1的雜合功能喪失可觸發(fā)肝腫瘤的發(fā)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(zhì)積累是導(dǎo)致肝癌發(fā)展的原因。Ke P Y等[26]發(fā)現(xiàn)自噬在促進(jìn)宿主細(xì)胞丙型肝炎病毒(HCV)生命周期中起重要作用,且HCV可啟動細(xì)胞的多種信號通路表明自噬過程是平衡HCV-宿主細(xì)胞相互作用所必需的,并且參與HCV相關(guān)肝病的發(fā)病機(jī)制。Pankratz F等[27]發(fā)現(xiàn)MicroRNA-100在對血管損傷和炎癥的反應(yīng)中具有抗炎功能,并且驗證了mTOR信號傳導(dǎo)和自噬是心血管系統(tǒng)中的新型重要調(diào)節(jié)劑。作者對miR-100作為潛在的保護(hù)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(xì)胞凋亡而保護(hù)心臟。Hang P等[28]發(fā)現(xiàn)膽堿可通過激活A(yù)kt/mTOR通路抑制過度自噬,從而預(yù)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(dǎo)致衰老和對年齡相關(guān)疾病的易感性。事實上,隨著嚙齒動物和人類的衰老,經(jīng)典自噬(巨自噬)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬都會降低。雖然衰老自噬減少的機(jī)制尚不清楚,但至少在嚙齒動物肝臟中已發(fā)現(xiàn)涉及對自噬激素調(diào)節(jié)(例如胰高血糖素,胰島素)的反應(yīng)和自噬體降解的改變[29]。

3 結(jié)論與展望

根據(jù)以上研究表明氨基酸作為人體重要的營養(yǎng)物質(zhì)之一在維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)、正常代謝方面起著重要作用。氨基酸通過mTORC1途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬對于很多疾病的發(fā)生發(fā)展有重要影響,因此我們預(yù)測可以通過氨基酸濃度的調(diào)節(jié)對臨床疾病治療及預(yù)后產(chǎn)生幫助。