江 彬，趙文濤，歐陽聰，王慧慧，張鳳瓊，趙國輝，曹婷艷，李勤喜

(廈門大學生命科學學院，細胞應激生物學國家重點實驗室，福建 廈門 361102)

細胞是生命活動的基本單位，必須要進行一系列生物學活動才能發(fā)揮正常的功能，如生長、分裂、運動、分泌、細胞間交流等，而這些活動的基礎就是物質(zhì)和能量的交換.細胞是通過化學反應來獲取物質(zhì)和能量的，這些化學反應構成了很多代謝通路，不同的通路之間通過交叉對話構成了復雜的細胞代謝網(wǎng)絡(物質(zhì)和能量代謝)[1].

為了方便理解和學習，可將組成代謝網(wǎng)絡的代謝通路分為合成代謝和分解代謝.兩者是密不可分的，很多代謝通路隨著細胞生理狀態(tài)的變化有時擔任合成代謝的任務，有時又扮演分解代謝的角色，這類代謝通路稱為兩用代謝通路，如糖酵解和三羧酸(tricarboxylic acid,TCA)循環(huán).不同器官在合成和分解代謝的調(diào)控上密切配合，如當機體處于長期饑餓狀態(tài)且肝糖原消耗殆盡的情況下，肝臟會通過糖異生途徑(糖酵解的逆反應)生成葡萄糖，分泌到血液中供大腦等肝外組織利用，而這些組織則可以通過糖酵解為其提供能量.雖然細胞代謝網(wǎng)絡異常復雜，但是仍有規(guī)律可循.對高等需氧生物而言，其能量提供主要是通過三大營養(yǎng)物質(zhì)(糖、脂類和蛋白質(zhì))的分解代謝而實現(xiàn)的.糖酵解、TCA循環(huán)、氧化磷酸化等重要的代謝通路稱為核心代謝通路.

為了適應不斷變化的外部環(huán)境，機體必須隨時相應地調(diào)節(jié)細胞的生物學活動，而機體對細胞生物學活動的調(diào)節(jié)則基于其對細胞代謝網(wǎng)絡的調(diào)控.通過調(diào)節(jié)使細胞的能量狀態(tài)在正常生理情況下始終處于一定范圍內(nèi)的動態(tài)平衡，即為細胞能量代謝的穩(wěn)態(tài).需要說明的是，能量代謝始終伴隨著物質(zhì)代謝，二者不可孤立，所謂的“能量代謝”只是從能量的角度考察代謝及其調(diào)控.

細胞代謝穩(wěn)態(tài)的維持有賴于機體和細胞之間及細胞內(nèi)部多層次、多方位的立體調(diào)節(jié)網(wǎng)絡，即細胞代謝信號網(wǎng)絡.該網(wǎng)絡非常復雜，包括內(nèi)分泌系統(tǒng)(如胰島素、胰高血糖素、腎上腺素、脂肪因子、胃腸激素、甲狀腺素等)[2-3]、各種生長因子信號通路(如胰島素、表皮生長因子等)[2-3]、抑癌因子(如p53)[4]、致癌因子(如雷帕霉素機制性靶蛋白(mechanistic target of rapamycin,mTOR)、缺氧誘導因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)、細胞源性的骨髓細胞瘤病毒癌基因(cellular-myelocytomatosis viral oncogene, c-MYC)等)[5]及細胞能量水平調(diào)節(jié)的核心分子單磷酸腺苷激活的蛋白激酶(adenosine monophasphate-activated protein kinase, AMPK)等[1].細胞內(nèi)各代謝通路之間既分工明確、各司其職，又相互依賴、相互制約、協(xié)調(diào)統(tǒng)一，這樣才能維持細胞代謝的穩(wěn)態(tài).

1 激素對機體代謝的調(diào)節(jié)

神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)起著調(diào)節(jié)各器官的功能、合理分配能量供應的作用.內(nèi)分泌系統(tǒng)由內(nèi)分泌腺組成，內(nèi)分泌腺包括下丘腦、垂體、胰腺、腎上腺等.內(nèi)分泌腺分泌激素，激素進入血液被運送到靶器官，在靶器官的細胞表面或細胞核內(nèi)與其特異性受體結合后啟動細胞內(nèi)的信號轉導系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)細胞的能量代謝及生命活動.肝臟是機體能量代謝的核心器官(三大營養(yǎng)物質(zhì)都在肝臟進行代謝轉化)，在能源物質(zhì)的儲存、處理、加工及能量分配中起重要作用.大腦是機體的一個重要的耗能器官，神經(jīng)元主要以葡萄糖或β-羥基丁酸(酮體的組成之一)為燃料.近年來有研究表明大腦也可以利用乳酸作為燃料[6].由于肝臟、骨骼肌及脂肪組織在能量的儲存、分配及利用中起關鍵作用，三大營養(yǎng)物質(zhì)在這些組織中的代謝受內(nèi)分泌系統(tǒng)的嚴格調(diào)控[2].調(diào)控代謝的激素很多，因篇幅限制，本文只討論胰島素、胰高血糖素和腎上腺素對代謝的調(diào)節(jié)作用.

1.1 胰島素

在正常生理狀態(tài)下，人體血糖維持在60～90 mg/mL(3.33～5 mmol/L)才能保證各器官的正常功能，血糖過高或過低都會導致嚴重的疾病，甚至死亡.胰島素和胰高血糖素在維持血糖的穩(wěn)態(tài)中起重要作用.胰島素是由胰島β細胞分泌的一種激素，其主要作用是在機體進食后促進糖的儲存和利用，從而降低血糖，維持血糖的穩(wěn)態(tài).進食后胰島β細胞內(nèi)三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)水平升高，使K+外流，細胞去極化，進而引起Ca2+內(nèi)流，導致胰島素的分泌[7].此外，進食后從腸道分泌的腸促胰島素可刺激胰島素分泌，有研究表明其引起的胰島素分泌能力約占全部胰島素分泌量的50%～70%[8].葡萄糖依賴性促胰島素多肽(glucose-dependent insulinotropic polypeptide,GIP)和胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide 1,GLP-1)是攝入各種營養(yǎng)素后從腸道分泌的兩種主要腸促胰島素激素，以葡萄糖濃度依賴的方式刺激胰腺β細胞分泌胰島素[9].GIP和GLP-1被二肽基肽酶-4(dipeptidyl peptidase-4,DPP-4)降解，并迅速失去其生物活性[10].GIP和GLP-1的作用分別由它們的特異性受體GIPR和GLP-1R介導，這兩種受體在胰腺β細胞以及各種組織和器官中表達.目前，靶向腸促胰島素受體的藥物已取得重大進展，如GLP-1R激動劑可穩(wěn)定激活GLP-1R信號[11]，起到很好的降糖作用.另外，DPP-4的抑制劑通過延緩GIP和GLP-1的降解，增強其促胰島素分泌的作用，亦取得了良好的臨床表現(xiàn)[10].

胰島素與肝臟細胞、肌肉細胞和脂肪細胞表面的胰島素受體(insulin receptor,IR)結合激活IR底物1(IR substrate 1,IRS-1)，被激活的IRS-1與p85調(diào)節(jié)亞基及磷脂酰肌醇3-激酶(phosphotidylinositol 3 kinase,PI3K)結合并激活PI3K，被激活的PI3K將磷脂酰肌醇(4,5)二磷酸(phosphatidylinositol(4,5)-biphosphate，PIP2)轉變?yōu)榱字＜〈?3,4,5)-三磷酸(phosphati-dylinositol(3,4,5)-trisphosphate，PIP3)，PIP3通過丙酮酸脫氫酶激酶1(pyruvate dehydrogenase kinase 1，PDK1)激活蛋白激酶B(protein kinase B,又稱為AKT)，進而引起一系列使血糖降低的生理效應(圖1)：1)通過使GLUT4從細胞漿轉移到細胞膜而激活該轉運蛋白的功能，從而加速血液中的葡萄糖向肌肉和脂肪組織的轉運[12]；2)上調(diào)肝臟組織中GCK的表達水平，促進糖酵解[13]；3)激活的AKT進而磷酸化糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)的Ser9位點并抑制其激酶活性，解除其對肝臟和肌肉組織中GS的抑制，促進糖原合成[13]；4)抑制GPA的活性，從而抑制糖原降解[13]；5)激活肝臟細胞和肌肉細胞中的PFK2，從而促進糖酵解，同時激活丙酮酸脫氫酶復合體(pyruvate dehydrogenase complex，PDC)的活性，使丙酮酸迅速轉化成acetyl-CoA，為脂肪酸的合成提供原料；6)在肝臟細胞中激活ACC，促進脂肪酸的合成[14]；7)在脂肪組織中激活脂蛋白酯酶，促進脂蛋白如VLDL運輸?shù)闹愡M入脂肪組織，并及時合成TAG加以儲存[15].總之，胰島素的主要功能是使葡萄糖以糖原和脂肪的形式儲存起來，降低血糖使其維持在正常水平.

GLUT.葡萄糖轉運蛋白；GCK.葡萄糖激酶；GPA.糖原磷酸化酶A；acetyl-CoA.乙酰輔酶A；ACC.acetyl-CoA羧化酶；GS.糖原合酶；G6P.葡萄糖-6-磷酸；F6P.果糖-6-磷酸；PFK2.磷酸果糖激酶2；VLDL.極低密度脂蛋白；TAG.甘油三酯.

1.2 胰高血糖素

胰高血糖素是一種由29個氨基酸組成的肽素，具有多種生物學功能，如維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)[16].胰高血糖素的分泌響應于多種代謝信號的變化[17-18]，如血糖濃度變化[19]、特定氨基酸濃度變化[20]、脂肪酸濃度以及壓力應激變化(如交感神經(jīng)系統(tǒng)的激活)[21].GCK是葡萄糖濃度的感受器，它可以敏銳感知葡萄糖濃度變化，及時調(diào)控胰島素和胰高血糖素的分泌，維持血糖穩(wěn)定[22].在低血糖情況下，GCK活性迅速下降，啟動胰島α細胞的胰高血糖素釋放機制，使胰高血糖素分泌增加，通過與肝臟上的七重跨膜G蛋白偶聯(lián)受體結合發(fā)揮功能[23]，可通過抑制糖原合成和糖酵解以及促進糖原分解和糖異生來增加肝臟中葡萄糖的產(chǎn)生[24-25].在長期饑餓的情況下，血液中的葡萄糖不能通過進食加以補充，但外周組織仍然要利用血液中的葡萄糖作為燃料，因此，隨著饑餓的持續(xù)，血糖水平會逐漸降低.在正常情況下血糖是大腦的主要燃料，血糖太低時大腦的功能會因缺乏能量而出現(xiàn)異常，因此機體要維持正常的生理功能就必需維持血糖的穩(wěn)態(tài).在饑餓的情況下，機體分泌胰高血糖素，胰高血糖素與細胞質(zhì)膜上的跨膜受體結合[26]，導致受體構象變化，從而激活三聚體三磷酸鳥苷結合調(diào)節(jié)蛋白(trimeric guanosine triphosphate-binding regulated protein，G蛋白)偶聯(lián)蛋白，進一步導致腺苷酸環(huán)化酶(adenylyl cyclase，AC)被激活，環(huán)狀單磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)水平升高，進而激活蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA)和 cAMP 反應元件結合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)[25].PKA 和CREB引起以下一系列適應性代謝改變，以滿足機體對能量的需求，如使血糖升高、脂肪動員等(圖2)：1)PKA磷酸化并抑制PK[27]和PFK1[24]，進而抑制肝臟細胞的糖酵解；2)PKA磷酸化并抑制肝臟細胞中GS的活性，阻止糖原合成[13]；3)PKA 磷酸化磷酸化酶激酶從而激活肝臟細胞中GPA的活性，啟動糖原分解級聯(lián)反應[28]，促進肝糖原轉化為游離的葡萄糖并釋放入血液[13]；4)CREB誘導PEPCK的轉錄，從而激活PEPCK[16]，同時PKA 磷酸化并激活FBPase-2[24]，進而促進肝細胞的糖異生；5)激活脂肪細胞中的PKA，PKA進一步磷酸化并激活HSL加速脂肪酸的動員[29]；6)抑制肝細胞中的ACC，促進脂肪酸轉變?yōu)橥w，為腦等肝外組織提供能量[14,29].

WAT.白色脂肪組織；PK.丙酮酸激酶；F-1,6-P.果糖-1，6-二磷酸；PEP.磷酸烯醇式丙酮酸；PEPCK.PEP羧化激酶；FBPase-2.果糖-2,6-二磷酸酶；F-2,6-P.果糖-2，6-二磷酸；Pi.磷酸根；HSL.激素敏感性酯酶.

1.3 腎上腺素

在應激條件下機體會發(fā)生一系列生理變化，如心跳加速、血壓上升、呼吸加速、脂肪動員加快、肌肉組織中糖的分解加速等應激反應.腎上腺素是由髓質(zhì)分泌引起應激反應的最主要的內(nèi)分泌激素，受內(nèi)臟神經(jīng)直接支配，當大腦皮層接收到刺激信號，腎上腺素分泌量增加，經(jīng)血液循環(huán)運送到其他組織，和靶細胞表面的腎上腺素受體(G蛋白偶聯(lián)型，主要包括腎上腺素α受體和β受體)結合，促使受體結構發(fā)生改變，將受體轉化為激活形式[30]，被激活的腎上腺素受體與G蛋白結合，G蛋白中的二磷酸鳥苷(guanosine diphosphate,GDP)被三磷酸鳥苷(guanosine triphosphate,GTP)取代而激活，被激活的G蛋白從受體中釋放出來激活腺苷酸環(huán)化酶, 腺苷酸環(huán)化酶被激活后，將大量ATP分子轉化為第二信使cAMP.在肝臟細胞或骨骼肌細胞中cAMP可以結合并激活PKA，活化的PKA進一步將GPB轉化為其活性形式GPA，進而觸發(fā)糖原的分解，為肌肉細胞提供G6P，為肝細胞提供G6P和游離葡萄糖；此外，活化的PKA也能磷酸化GS，將其從活性形式轉化為非活性形式，從而抑制糖原合成[31].在脂肪細胞中，腎上腺素刺激cAMP生成，使PKA磷酸化，進而激活HSL，促進脂肪動員，加速脂肪分解，脂肪分解的產(chǎn)物甘油可經(jīng)糖異生合成葡萄糖.在心肌細胞中，腎上腺素通過cAMP激活PKA，后者能磷酸化胞膜L-型鈣離子通道，增加收縮期心肌細胞的Ca2+內(nèi)流和肌漿網(wǎng)的Ca2+釋放，增強心肌收縮能力，縮短收縮間隔，導致心率和血壓升高，增強為組織運輸氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的能力[32].為了防止腎上腺素受體信號的持續(xù)過度激活，機體可利用β-arrestins銜接蛋白抑制腎上腺素受體對下游信號通路的激活，其原理為：被激活的β-腎上腺素受體能被β-腎上腺素受體激酶磷酸化，β-arrestins 能識別磷酸化的β-腎上腺素受體并與之結合，通過空間位阻效應抑制G蛋白與β-腎上腺素受體結合[33]，從而終止或減弱β-腎上腺素介導的信號通路.

2 細胞代謝中的重要信號通路

2.1 mTOR信號通路與合成代謝

rapamycin是近半個世紀以前從吸水鏈霉菌(Streptomyceshygroscopicus)中分離得到的強效抗真菌和抗免疫細胞增殖的藥物，因具有很強的抗增殖性使其成為研究細胞增殖調(diào)控的常用工具.在20世紀90年代初通過酵母菌(Saccharomyces)的基因測序發(fā)現(xiàn)了rapamycin 的兩個靶基因TOR1和TOR2[34-35]，其突變株可以逃離細胞周期捕捉.隨后在哺乳動物中也發(fā)現(xiàn)了TOR基因，即mTOR[36].mTOR 是高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(serine/threonine protein kinase，STK)，屬于磷脂酰肌醇激酶相關激酶(phosphatidylinositol kinase-related kinase,PIKK)家族.mTOR 參與組成 mTORC1和mTORC2這兩種多蛋白復合物[37]，但rapamycin只抑制mTORC1中mTOR的活性卻不能抑制mTORC2中mTOR的活性.為避免理解混亂，目前已把mTOR以前的命名“雷帕霉素的哺乳動物靶蛋白”(mammalian target of rapamycin,mTOR)改為“雷帕霉素機制性靶蛋白”(mechanistic target of rapamycin,mTOR)，英文縮寫保持不變.mTORC1 在細胞的增殖和分化以及能量代謝中均起關鍵的調(diào)節(jié)作用.生長因子如胰島素與其受體結合后激活受體酪氨酸酶的活性，通過PI3K-AKT途徑或Ras-Raf-Erk途徑激活mTORC1[38].mTORC1被激活后能激活真核細胞翻譯起始因子4E(eukaryotic translation initiation factor 4E,eIF4E)[39-40]、核糖體S6蛋白激酶1(ribosomal protein S6 kinase beta-1,S6K1)[41]和固醇調(diào)節(jié)元件結合蛋白1(sterol regulatory element-binding protein 1,SREBP1)[42].eIF4E和S6K1被激活后可以促進核糖體的生物合成，激活cyclin D1、c-MYC、周期蛋白依賴性激酶2(cyclindependent kinase 2,CDK2)等與細胞增殖相關蛋白的翻譯，刺激基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9,MMP9)的翻譯，增強HIF-1α的表達，從而促進糖酵解及血管生成.mTORC1通過這些作用促進蛋白合成、刺激細胞分裂及增殖、增強糖酵解、促進腫瘤血管形成及轉移.SREBP1被mTORC1激活后能轉錄激活參與磷酸戊糖旁路及脂肪合成的一系列酶的轉錄，促進脂肪的合成及儲存[43].

目前關于mTORC1激活條件及詳細分子機制方面的研究均取得了很大進展(圖3).mTORC1的激活有3個最基本的條件：1)mTORC1主要促進消耗能量的合成代謝，抑制產(chǎn)生能量的分解代謝，因此mTORC1激活的先決條件是機體在整體水平上有足夠的能量且分泌較高水平的生長因子；2)細胞本身要有充足的能量供應；3)mTORC1激活后的一大功能是促進蛋白質(zhì)的合成，而氨基酸是蛋白質(zhì)合成的原料，因此mTORC1的激活必須有足夠濃度的氨基酸，尤其是支鏈氨基酸.這3個條件必須同時具備，mTORC1才能被激活，可見mTORC1的重要性.生長因子和能量水平調(diào)控mTORC1的靶點是TSC1/2.TSC1/2是一種GTP 酶活化蛋白(GTPase-activating protein，GAP)，它被激活后能夠抑制mTORC1，其機制是TSC1/2的GAP酶活性能使mTORC1的直接激活蛋白Rheb由GTP 偶聯(lián)的活性形式轉化為GDP偶聯(lián)的失活形式[44].AKT被胰島素及生長因子激活后能直接磷酸化TSC1/2使其失活，從而激活mTORC1.細胞缺乏能量時AMPK被激活，AMPK可以磷酸化TSC1/2使其激活，從而抑制mTORC1；而在細胞能量供應充足的情況下AMPK失活，其對mTORC1的抑制作用也隨之解除.缺氧一方面導致細胞ATP水平降低，激活AMPK、抑制mTORC1；另一方面通過激活REDD1調(diào)節(jié)蛋白,從而抑制mTORC1.另外，DNA損傷刺激p53表達，后者可以通過激活REDD1和AMPK間接抑制mTORC1.

RTK.受體酪氨酸激酶;Grb2.生長因子受體結合蛋白2;SOS.Sevenless之子蛋白;NF1.神經(jīng)纖維瘤蛋白1；PTEN.磷酸酶和張力蛋白同系物；Raf.RAF原癌基因STK；ERK.絲裂原活化蛋白；MEK.雙特異性ERK激酶；RSK.核糖體蛋白S6激酶；PDK1.3-磷酸肌醇依賴蛋白激酶1；LKB1.絲氨酸/蘇氨酸激酶11；FKBP12.FKBP脯氨酰異構酶1A；GβL.mTOR相關蛋白LST8同系物；DEPTOR.含mTOR相互作用蛋白的DEP結構域；4E-BP1.真核翻譯起始因子eIF4e結合蛋白1；ATG13.自噬相關蛋白13；ULK1.Unc-51類自噬激活激酶1；Sin1.應激激活蛋白激酶相互作用蛋白1；PRR5.脯氨酸蛋白5；Rictor.雷帕霉素不敏感mTOR伴侶蛋白；Lipin1.磷脂酸磷酸酶1；SGK1.血清和糖皮質(zhì)激素調(diào)節(jié)激酶 1；PKCα.蛋白激酶Cα；TSC1/2.結節(jié)性硬化癥復合物1/2；Rheb.富集于大腦的Ras同系物；REDD1.發(fā)育和DNA損傷反應1；Rag.Ras相關的GTP酶；Ragulator.Rag調(diào)節(jié)因子;v-ATPase.v型三磷酸腺苷酶.

氨基酸激活mTORC1的原理比較復雜，涉及到Rag蛋白[45-46]、Ragulator復合體[47]、v-ATPase[48]及其他具有鳥嘌呤核苷酸交換因子(guanine nucleotide exchange factor,GEF)和GAP活性的調(diào)節(jié)蛋白[49-50].Ragulator是由LAMTOR 1(late endosomal/lysosomal adaptor,MAPK and mTOR activator 1)、LAMTOR2、LAMTOR3、LAMTOR4和LAMTOR5組成的異源五聚體，能進一步與v-ATPase形成復合體，定位在晚期溶酶體上.Rag蛋白有A、B、C、D 4種亞型，其中A與B相似，C與D相似，在細胞中一般是A/B與C/D組成異源二聚體.v-ATPase與Ragulator形成的復合體能將Rag異源二聚體募集到溶酶體表面.當細胞氨基酸濃度較高時溶酶體中的氨基酸會作用于v-ATPase引起Ragulator的構象變化，激活其針對RagA/B的GEF活性，從而使Rag二聚體中的A/B與GTP結合；同時抑癌因子FLCN(folliculin)針對RagC/D的GAP活性也被激活，使Rag二聚體中的RagC/D與GDP結合.此時，RagA/B與RagC/D形成的二聚體被激活后能與mTORC1中的Raptor結合，從而將mTORC1定位到溶酶體上，進而被已經(jīng)定位到溶酶體上的mTORC1激活蛋白Rheb激活[51-52].

近年來的研究進一步闡明了mTOR感應氨基酸濃度的機制(圖4).Sabatini課題組揭示了氨基酸通過多種方式介導mTORC1活化的機制：首先他們鑒定了一種氨基酸轉運體SLC38A9，這是一種定位于溶酶體上的精氨酸轉運體，作為溶酶體跨膜蛋白，它能夠以一種氨基酸敏感的方式與Rag蛋白及Ragulator相互作用，將mTORC1定位到溶酶體上[53].另外，他們還發(fā)現(xiàn)定位于胞漿的GATOR1蛋白具有針對RagA的GAP活性，它被激活后能夠抑制mTORC1的溶酶體定位.當細胞內(nèi)的氨基酸充足時，亮氨酸能夠與Sestrin2結合來破壞Sestrin2與GATOR2的相互作用，使得GATOR2處于激活狀態(tài)，激活的GATOR2進一步解除GATOR1對mTORC1的抑制[54].與亮氨酸不同的是，精氨酸通過以30 μmol/L的解離常數(shù)與CASTOR1結合來破壞CASTOR1與GATOR2的相互作用，使得GATOR2處于激活狀態(tài)，從而激活mTORC1[55].Kim課題組[56]則發(fā)現(xiàn)，LARS1能夠感知亮氨酸濃度并調(diào)節(jié)其與RagD的相互作用，行使GAP功能，使RagDGTP轉化為活化態(tài)RagDGDP，從而激活mTORC1通路.此外，Kim課題組[57]還發(fā)現(xiàn)LARS1對mTORC1的調(diào)控作用依賴于葡萄糖的存在，具體機制是：葡萄糖存在時，LARS1可以感知到亮氨酸的存在，使亮氨酸與tRNA進行共價結合，參與翻譯過程，同時通過RagD激活mTORC1通路；葡萄糖缺乏時，ULK1磷酸化LARS1降低其與亮氨酸的結合能力，從而減弱對翻譯過程和mTORC1的調(diào)控作用，蛋白質(zhì)的翻譯被抑制進而引發(fā)細胞自噬，幫助細胞短暫適應缺糖環(huán)境.值得關注的是，趙世民課題組[58]研究表明：氨基酰tRNA合成酶也兼有氨基酰轉移酶的活性，當細胞內(nèi)的某種氨基酸水平升高時，結合了這種氨基酸的tRNA合成酶會與胞內(nèi)特定的蛋白結合，將氨基酰基轉移到蛋白特定的賴氨酸殘基上對其進行氨基?；揎?如細胞內(nèi)的亮氨酸含量較高時，可以通過LARS1修飾RagA，使其更容易轉變?yōu)镽agAGTP形式，從而促進mTORC1的激活.這些研究成果為闡明氨基酸激活mTOR信號通路填補了重要一環(huán).

CASTOR.胞質(zhì)精氨酸傳感器;GATOR.Rag二聚體的上游關鍵調(diào)控復合物(能夠水解Rag二聚體從而影響mTORC1在溶酶體的定位);LARS.亮氨酸-轉運RNA(tRNA)合成酶.

總之，mTORC1主要是在營養(yǎng)物質(zhì)和能量充足的情況下激活合成代謝，消耗ATP，抑制細胞自噬，促進細胞存活和增殖.因此，mTORC1的過度激活與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關，被認為是一個很重要的抗腫瘤靶點[38].自2007年起，雷帕霉素的兩種衍生物被開發(fā)用于通過抑制mTORC1來治療癌癥，分別為輝瑞公司的坦羅莫司(temsirolimus)和諾華公司的依維莫司(everolimus).

2.2 AMPK信號通路與分解代謝

AMPK是細胞內(nèi)的能量感受器，在真核細胞生物中廣泛存在.各種導致細胞內(nèi)單磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)/ATP或二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)/ATP比值升高的因素如饑餓、缺氧等均可引起AMPK活化.AMPK活化后抑制消耗ATP的合成代謝過程，啟動生成ATP的分解代謝過程，從而維持機體能量代謝的穩(wěn)態(tài).

AMPK是進化過程中高度保守的STK，最初是作為脂肪合成代謝中的關鍵酶ACC和膽固醇合成代謝中的關鍵酶3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methyl glutaryl-CoA reductase，HMGR)的上游調(diào)節(jié)因子被發(fā)現(xiàn)的[59].AMPK是由α、β和γ亞基組成的異源三聚體：其中α亞基具有催化活性；β亞基連接α和γ亞基，是形成穩(wěn)定有活性的三聚體復合物所必需的；γ亞基的Bateman結構域包含AMP的結合位點.AMPK的活性受變構劑和磷酸化的雙重調(diào)節(jié).如圖5所示，當細胞處于饑餓狀態(tài)時AMP的濃度升高，和AMPK的γ亞基結合，通過構象的改變引起α亞基的Thr172位點暴露，此時AMPK的上游激酶LKB1、CaMKK和TAK1等能使Thr172位點磷酸化，從而激活AMPK的激酶活性[60-61].

CaMKK.Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶；LKB1.肝臟激酶 B1；PP2C.蛋白磷酸酶2C；TAK1.轉化生長因子β相關激酶1.

近年來的研究表明AMPK被激活后可以在整體水平和細胞水平兩個層面調(diào)控能量代謝的穩(wěn)態(tài)[62].在整體水平上，AMPK主要通過下丘腦調(diào)控能量平衡[62]，如圖6所示：下丘腦弓狀核中AMPK的激活可以刺激食欲引起進食活動，下丘腦腹內(nèi)側核中AMPK的激活可以抑制交感神經(jīng)系統(tǒng)，從而抑制交感神經(jīng)興奮引起的能量消耗.在飽食的情況下，一方面脂肪細胞會分泌瘦素，抑制弓狀核中AMPK的激活，從而抑制進食活動，防止機體攝入過多的能源物質(zhì)；另一方面，小腸會分泌GLP-1，甲狀腺會分泌甲狀腺素，二者均可抑制下丘腦腹內(nèi)側核中AMPK的活性，解除其對交感神經(jīng)的抑制作用，從而增強機體的基礎代謝效率，加速能量的消耗.在饑餓的情況下，機體缺乏能量，一方面脂肪細胞會分泌脂聯(lián)素，另一方面胃會分泌饑餓素，二者均能激活弓狀核中AMPK的活性，從而刺激進食活動，為機體補充能量.

T3.3,3’,5-三碘甲狀腺原氨酸.

在細胞水平上，AMPK響應細胞能量狀態(tài)的變化，通過多器官多靶點抑制耗能的合成代謝，促進釋放能量的分解代謝，從而維持細胞的能量穩(wěn)態(tài)[63-64]，如圖7所示.在分解代謝方面AMPK有以下作用：1)上調(diào)肌肉細胞GLUT1和GLUT4的表達，促進糖的攝入；2)激活PFK2，促進糖酵解；3)抑制ACC2，激活脂肪酸的氧化分解；4)激活ULK1/2, 啟動線粒體的自噬；5)激活脂肪酸轉運蛋白CD36，促進脂肪酸的攝入.在合成代謝方面AMPK有以下作用：1)抑制HDAC和CRTC2的活性，從而抑制糖異生途徑的關鍵酶PEPCK和葡萄糖6磷酸酶的表達，最終抑制糖異生；2)使GS失活，從而抑制糖原的合成；3)抑制ACC1的活性，從而抑制脂肪酸的合成；4)轉錄因子SREBP1C能轉錄激活脂肪合成的一系列酶，AMPK能磷酸化SREBP1C使其失活，從而抑制脂肪的合成；5)抑制甘油磷酸轉乙酰酶，從而阻止三酯酰甘油的合成；6)通過抑制HMGR以抑制膽固醇的合成；7)通過抑制Raptor和激活TSC2以抑制mTOR，從而抑制蛋白質(zhì)的合成；8)通過抑制轉錄因子TIFIA以阻止核糖體RNA的合成；9)PGC1α是轉錄因子PPAR-? 的共激活子，能轉錄激活線粒體中與能量代謝相關的基因的表達，AMPK可以磷酸化并激活PGC1α，從而增加線粒體的生物合成，促進有氧代謝，增加能量供應.

CRTC2.Creb調(diào)控的轉錄共激活因子2；HDAC.組蛋白脫乙酰化酶；TBC1D1.TBC1域家族成員1；PFKFB3.果糖-2,6-二磷酸酶3；TIFIA.RNA聚合酶Ⅰ特異性轉錄起始因子RRN3；Raptor.mTOR的調(diào)節(jié)相關蛋白；PolⅠ.RNA聚合酶Ⅰ；PGC1α.過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPAR-γ)共激活因子1α亞基；SIRT1.氧化型輔酶Ⅰ依賴性蛋白脫乙酰酶sirtuin-1；GPAT.3-磷酸甘油酰基轉移酶.

鑒于AMPK信號通路在代謝調(diào)控中的重要作用，AMPK的活性在細胞內(nèi)被嚴格調(diào)控.經(jīng)典理論認為AMPK的活化主要是通過其γ亞基感知細胞內(nèi)的AMP濃度，通過構象改變以及Thr172位點磷酸化修飾來調(diào)節(jié).近幾年廈門大學生命科學學院林圣彩課題組的研究結果揭示了細胞在不同能量狀態(tài)下選擇性激活AMPK和mTOR的分子機制(圖8).首先他們發(fā)現(xiàn)，AXIN作為架構蛋白，在AMP信號的作用下，與AMPK及其上游激酶LKB1三者形成一個復合體，促進LKB1對AMPK的磷酸化激活；且AXIN對于AMPK定位到溶酶體上具有重要的作用，該研究為闡明溶酶體在調(diào)控線粒體氧化磷酸化中的作用提供了線索[65].另外，他們研究發(fā)現(xiàn)在細胞缺乏能量的情況下，依賴于LKB1的AMPK的激活發(fā)生在晚期溶酶體上，其機制是v-ATPase-Ragulator可以將AXIN/LKB1募集到溶酶體表面，從而激活AMPK.由于v-ATPase-Ragulator復合體也是在能量充足的情況下細胞激活mTOR所必須的條件，所以，該復合體成為細胞響應能量狀態(tài)在合成代謝和分解代謝之間轉換的開關[66].接著，他們闡明了在生理狀態(tài)下機體感受葡萄糖水平的機制.他們發(fā)現(xiàn)，葡萄糖水平下降會引起糖酵解的中間產(chǎn)物F-1,6-P水平的下降，該過程進一步地被糖酵解通路上的代謝酶——醛縮酶感應，未結合F-1,6-P的醛縮酶促進v-ATPase、Ragulator和AMPK-AXIN-LKB1之間的動態(tài)組合，形成超級復合體，并激活AMPK[67].進一步的機制研究表明，未結合F-1,6-P的醛縮酶可結合陽離子通道蛋白TRPV并抑制其Ca2+的通道活性；Ca2+濃度下降促使醛縮酶-v-ATPase復合體變構，從而抑制v-ATPase，最終啟動溶酶體上的AMPK激活途徑，引起溶酶體上AMPK的活化[68].他們還發(fā)現(xiàn)不同程度的能量缺乏可逐級激活胞內(nèi)不同區(qū)域的AMPK：當細胞處于輕度饑餓時(AMP/ATP比值還沒有大的變化)，溶酶體上的AMPK最先被磷酸化并激活；當細胞處于中度饑餓時，胞質(zhì)中的AMPK開始被激活；而當細胞中能量嚴重匱乏時，線粒體上的AMPK被最終激活.該研究工作首次揭示了不同時空下AMPK激活的現(xiàn)象，對人們更深入、多層次了解AMPK的激活狀態(tài)具有重要意義[69].

AXIN.軸抑制蛋白1；TRPV.瞬時受體電位陽離子通道亞家族V；ER.內(nèi)質(zhì)網(wǎng).

2.3 AMPK 與mTOR信號通路協(xié)同維持細胞能量穩(wěn)態(tài)

AMPK和mTOR分別激活分解代謝和合成代謝，二者只有密切配合、彼此調(diào)控才能更好地維持細胞的能量穩(wěn)態(tài).在機體能量充足的情況下，mTOR通過多條途徑激活合成代謝、抑制分解代謝：首先，脂肪細胞會分泌瘦素，瘦素作為內(nèi)分泌激素在下丘腦控制攝食的中樞中能激活mTOR，進而激活S6K1，S6K1磷酸化弓狀核中的AMPK使其失活，從而抑制進食活動；其次，機體會分泌胰島素等生長因子，通過AKT或ERK通路激活各組織器官細胞中的mTOR，進而直接或間接激活eIF4E、S6K1、SREBP1、cyclin D1、c-MYC、CDK、HIF-1α等，促進生物合成、細胞增殖；同時S6K1能磷酸化AMPK的Ser491位點，抑制Thr172位點的磷酸化，從而通過抑制AMPK的激活，抑制分解代謝[62,70].在饑餓、缺氧、DNA損傷等情況下，AMPK被激活，調(diào)節(jié)一系列下游靶蛋白激活分解代謝；同時，AMPK可以通過磷酸化激活TSC1/2以及磷酸化失活Raptor而抑制mTOR的激活，從而抑制合成代謝[43].值得一提的是，v-ATPase-Ragulator復合體在不同能量情況下分別激活AMPK和mTOR[66]，在細胞處于饑餓情況下，AXIN轉運至線粒體促進mTORC1的解離[65-66].因此，該復合體成為細胞響應能量狀態(tài)在合成代謝和分解代謝之間轉換的開關.

3 抑癌因子與致癌因子對能量代謝的調(diào)控

在正常生理狀態(tài)下機體正常細胞主要靠氧化磷酸化提供能量，只有在短暫缺氧的情況下部分組織(如肌肉)可以通過無氧糖酵解提供能量.然而這種正常代謝模式在腫瘤細胞中發(fā)生了重大改變.腫瘤細胞對代謝模式進行了重編程，使有氧代謝被抑制而無氧代謝被加強.即使在有氧的情況下，腫瘤細胞仍然靠糖酵解提供能量，這一現(xiàn)象被稱為“Warburg效應”，是由德國諾貝爾獎獲得者Otto Heinrich Warburg于20世紀30年代提出來的[71].經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，人們揭示了Warburg效應發(fā)生的部分分子機制，目前該效應被普遍認為是腫瘤細胞代謝的基本特性之一[71-73].很多致癌基因和抑癌基因編碼的蛋白產(chǎn)物參與代謝模式的調(diào)控.抑癌因子如p53主要抑制無氧糖酵解，激活TCA循環(huán)及氧化磷酸化有氧代謝途徑；相反地，致癌因子如HIF-1α和c-MYC等促進無氧糖酵解，而抑制有氧代謝.p53缺失或突變失活及HIF-1α、c-MYC等過度激活都會導致細胞代謝模式從有氧代謝向無氧糖酵解轉變，從而促進細胞的惡性轉變.

3.1 p53

p53主要通過以下途徑抑制糖酵解(圖9)：1)p53能直接抑制GLUT1和GLUT4的表達[74]，也能通過抑制NF-κB間接抑制GLUT3的表達，從而減少細胞對葡萄糖的攝入[75].2)PFK1是糖酵解通路的限速酶之一，該酶能被F-2,6-P變構激活.p53轉錄激活的一個下游蛋白TIGAR是F-2,6-P的磷酸酶，能使其轉化為F6P，因此p53能通過激活TIGAR來抑制糖酵解[76-77].3)PPP能為快速增殖的細胞提供合成核酸所必須的R5P，也能為其他合成代謝途徑提供NADPH，腫瘤細胞的PPP非常活躍.p53能抑制PPP的關鍵酶G6PDH，從而抑制該代謝途徑[78].4)p53能抑制MCT1從而抑制乳酸的轉運，破壞腫瘤細胞的微環(huán)境[79].

p53主要通過以下途徑促進有氧代謝(圖9)：1)PDK1能磷酸化PDC使其失活，而PDC是acetyl-CoA進入TCA循環(huán)的關鍵步驟，p53能通過抑制PDK1而激活PDC[80].2)SCO2能激活電子傳遞鏈復合體四(complex Ⅳ)中的關鍵蛋白細胞色素c氧化酶的合成；AIF也能激活電子傳遞鏈，二者均能被p53激活[81-82].3)ME在將蘋果酸轉化為丙酮酸的過程中產(chǎn)生合成代謝必需的NADPH，p53能通過抑制ME1和ME2進而抑制合成代謝[83].4)p53R2[84]及Mieap在維持線粒體基因組完整性及線粒體質(zhì)量方面起重要作用[85]，p53能通過激活這兩種蛋白維持線粒體的正常功能，從而促進有氧代謝[86].5)GLS2可以催化谷氨酰胺水解生成谷氨酸，谷氨酸可進一步通過生成α-酮戊二酸參與TCA循環(huán)，p53可以通過轉錄激活GLS2，從而促進線粒體呼吸和ATP的產(chǎn)生[87-88].

PPP.磷酸戊糖旁路；NADH.還原型輔酶Ⅰ；NADPH.還原型輔酶Ⅱ；p53R2.p53控制的核苷酸還原酶；R5P.核糖-5-磷酸；3PG.3磷酸甘油酸；MCT1.單羧酸轉運蛋白1；G6PDH.G6P脫氫酶；ME.蘋果酸酶；GLS2.線粒體谷氨酰胺酶2；TIGAR.TP53誘導的糖酵解與凋亡調(diào)節(jié)蛋白;SCO2.參與細胞色素c氧化酶組裝的調(diào)節(jié)蛋白；AIF.細胞凋亡誘導因子；Mieap.線粒體自噬蛋白；PGAM.新型磷酸甘油酸變位酶；ETC.電子傳遞鏈;α-KG.α-酮戊二酸.

另外，需要特別強調(diào)的是p53能與AMPK及AKT/TSC/mTOR通路進行交叉對話，從而抑制mTOR，進而抑制合成代謝.首先，p53能通過直接激活AMPK的上游激酶LKB1進而激活AMPK[89]，或通過激活Sestrins及AMPK β亞基的轉錄間接激活AMPK[90-92]，AMPK被激活后能抑制mTOR.其次，p53能通過激活AKT的抑制蛋白PTEN而抑制mTOR信號，或通過直接激活TSC1/TSC2復合體抑制mTOR[86].相反地，具有獲得性功能(gain of function,GOF)的p53突變體則能抑制AMPK，激活mTOR促進合成代謝和細胞增殖[93].

3.2 HIF-1α 和c-MYC對細胞代謝的調(diào)控作用

HIF-1α是細胞在缺氧條件下進行代謝模式轉變以適應環(huán)境變化的核心分子.在有氧的情況下，HIF-1α被PHD2(prolyl-hydroxylase 2)羥基化，然后被VHL(von Hippel-Lindau)泛素連接酶復合體泛素化，經(jīng)蛋白酶體途徑降解，因此，在正常生理情況下在細胞中幾乎檢測不到HIF-1α蛋白的表達[94].由于分子氧是PHD2催化羥基化反應的底物之一，所以在缺氧的情況下HIF-1α不能被羥基化，因此不能被VHL泛素化降解，導致HIF-1α在細胞內(nèi)積累，水平升高[95].而HIF-1α本身是轉錄因子，其轉錄激活的下游基因超過100個，如圖10所示，這些基因中參與代謝調(diào)控的包括：1)GLUT1和GLUT3[96-97]；2)參與糖酵解途徑的酶，如HK1、HK2、PGK1[98-99]、PKM2[100]和LDHA[101]；3)PDK1，能抑制PDC的功能，從而抑制丙酮酸進入TCA循環(huán)[102]；4)產(chǎn)生NADPH的酶，如IDH1和IDH2[103]；5)參與脂肪酸合成的酶，如FASN和Lipin1[104-105]；6)Ⅰ型 GS、二磷酸尿苷-葡萄糖焦磷酸化酶(uridine disphosphate-glucose pyrophosphorylase，UGP2)和α-1,4葡聚糖分支酶(1,4-α-glucan branching enzyme，GBE1)，促進糖原合成[106]；7)脂肪酸結合蛋白3(fatty acid binding protein 3,FABP3)和FABP7，促進脂肪酸的攝入[107].通過激活以上的酶系統(tǒng)HIF-1α促進無氧糖酵解、糖原合成、乳酸產(chǎn)生、脂類攝入及脂類合成，抑制有氧代謝[106,108-110].

HK1/2.己糖激酶1/2；PGK1.磷酸甘油酸激酶1；PKM2.丙酮酸激酶M2；LDHA.乳酸脫氫酶A；PDH.丙酮酸脫氫酶；FASN.脂肪酸合酶；IDH1/2.異檸檬酸脫氫酶1/2.

近幾年的研究表明谷氨酰胺代謝在部分腫瘤的生長中起重要作用.在很多腫瘤中HIF-1α過度激活，抑制了PDC，使丙酮酸不能進入TCA循環(huán)合成檸檬酸，導致脂肪酸合成受阻，在這種情況下谷氨酰胺便成為脂類合成最主要的原料.谷氨酰胺被GLS轉化為谷氨酸后，經(jīng)TCA循環(huán)的逆反應生成檸檬酸，從而進入脂肪酸合成途徑[103,113].近年來研究發(fā)現(xiàn)PKM2在多數(shù)腫瘤中高表達，該酶作為糖酵解通路的最后一個酶，能通過調(diào)節(jié)無氧代謝和有氧代謝之間的平衡調(diào)控合成代謝及分解代謝的穩(wěn)態(tài)，從而促進腫瘤細胞增殖；受體酪氨酸激酶能激活PKM2，PKM2反過來能激活c-MYC及cyclin D1的表達；另外，PKM2也可以作為HIF-1α的共激活因子激活糖酵解通路中一系列酶的轉錄[114-116].

4 研究細胞代謝網(wǎng)絡的意義

細胞能量代謝穩(wěn)態(tài)是細胞其他生物學活動的基礎，而細胞能量代謝穩(wěn)態(tài)的維持有賴于細胞能量代謝信號網(wǎng)絡的調(diào)控.細胞由于基因缺失或突變導致該調(diào)控網(wǎng)絡失衡，使得細胞能量代謝模式發(fā)生改變或能量代謝穩(wěn)態(tài)被破壞，都會引起嚴重的疾病如癌癥、肥胖、糖尿病、心血管疾病等，甚至導致細胞及機體死亡.深入研究細胞能量代謝信號網(wǎng)絡的組成成分、各成分的功能及相互調(diào)節(jié)關系可以為預防及治療上述疾病提供理論基礎及藥物靶點，促進基于細胞能量代謝調(diào)控的新藥的研發(fā)，最終為預防及治療以上由細胞能量穩(wěn)態(tài)被破壞導致的疾病奠定基礎.

從代謝的角度看，癌癥是一種代謝性疾病，其發(fā)生發(fā)展的根源是調(diào)控代謝的抑癌因子(如LKB1、AMPK、p53、PTEN、TSC等)與原癌基因產(chǎn)物(如AKT、mTOR、HIF-1α、c-MYC等)之間的平衡被打破，引起細胞代謝模式從有氧代謝轉變?yōu)闊o氧代謝，細胞合成代謝加速，細胞的適應性增強，這種代謝穩(wěn)態(tài)的變化為細胞惡變及增殖奠定了物質(zhì)及能量基礎.長期以來，人們一直認為細胞能量代謝的改變是伴隨癌癥的表現(xiàn)，而不是引起細胞癌變的原因.目前研究表明細胞代謝的改變完全有可能直接導致癌癥的發(fā)生，如IDH1和IDH2的突變就可以導致膠質(zhì)瘤和白血病等[117].多種人類腫瘤中存在mTOR的過度表達及激活，同時抑癌因子LKB1、PTEN和TSC1/TSC2作為mTOR信號通路中的負向調(diào)節(jié)因子，在多種腫瘤細胞中也存在缺失表達.LKB1抑癌因子的作用機制就是激活AMPK，進而抑制mTOR信號通路，這使得AMPK 可能成為潛在的抗腫瘤靶點.在許多腫瘤細胞的體外試驗中，人們發(fā)現(xiàn)AMPK激活劑二甲雙胍和5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide，AICAR)有抑制腫瘤細胞增殖的作用[53,118-120].

Ⅱ型糖尿病發(fā)生的一個機制是機體出現(xiàn)胰島素抵抗.當機體營養(yǎng)素水平過剩時, 高濃度的氨基酸或葡萄糖長期刺激使血液中胰島素濃度增高，進而過度激活mTOR/S6K1通路，S6K1反過來使IRS-1的Ser312、Ser636/639或Ser307位點發(fā)生過度磷酸化后抑制胰島素的信號傳導,從而嚴重干擾insulin/PI3K/AKT的胰島素信號傳導功能，引發(fā)機體產(chǎn)生胰島素抵抗[121-122].在這種情況下胰島素的分泌不能使GLUT4定位到細胞膜上，血液中的葡萄糖不能被及時吸收入細胞，出現(xiàn)高血糖.二甲雙胍和AICAR均能激活AMPK，抑制mTOR/S6K1，從而恢復IRS-1的活性，逆轉了細胞的胰島素抵抗，因此可被用于治療Ⅱ型糖尿病[123].

肥胖患者的合成代謝遠超過分解代謝，主要表現(xiàn)為mTOR過度激活、胰島素抵抗、血脂異常等多種代謝改變.mTOR過度激活在肥胖發(fā)生中起重要作用.mTOR 活化可引起脂質(zhì)的累積，雷帕霉素能抑制脂肪增長.Um等[122]證實S6K1缺失的小鼠脂類分解作用增強，脂肪組織質(zhì)量下降；在飲水和進食量無顯著性改變的小鼠中, 雷帕霉素能降低脂肪組織量.因此，靶向抑制mTOR/S6K1/4E-BP可預防肥胖的發(fā)生.激活AMPK能抑制mTOR，促進骨骼肌中的葡萄糖攝取和脂肪酸氧化，抑制肝臟中脂質(zhì)和葡萄糖的合成，同時促進脂質(zhì)氧化，降低機體葡萄糖和脂質(zhì)水平，減少脂質(zhì)異位沉積，增強胰島素敏感性，抑制攝食行為的發(fā)生，為肥胖的治療提供了新的切入點[122-124].

5 細胞代謝網(wǎng)絡研究的瓶頸及努力方向

細胞能量代謝網(wǎng)絡由千千萬萬的生化反應組成，這些反應歸屬于眾多的細胞代謝通路.細胞能量代謝的復雜性還體現(xiàn)在很多代謝通路都是兩用代謝通路，且不同通路間通過交叉對話彼此聯(lián)系、互相制約.細胞根據(jù)能量狀態(tài)及內(nèi)環(huán)境的改變及時調(diào)整能量代謝網(wǎng)絡的運轉，使其能隨時滿足細胞對物質(zhì)及能量代謝的要求；而要實現(xiàn)這個目標，細胞必須依賴于細胞能量代謝信號網(wǎng)絡的正常運行.目前，人們對細胞能量代謝信號網(wǎng)絡還缺乏規(guī)律性和系統(tǒng)性的認識.為了更好地認識這一信號網(wǎng)絡的運行規(guī)律，首先要了解其部分特點.細胞能量代謝信號網(wǎng)絡對能量代謝的調(diào)控有以下特點：1)區(qū)域化，真核細胞在進化過程中出現(xiàn)了不同的細胞器，將細胞分割成不同的空間，使同一代謝通路往往在特定的細胞器中進行，從而提高化學反應及調(diào)控的效率.更有甚者，一種細胞器的不同部位(亞細胞器結構)為不同的信號通路提供場所，如糖酵解在細胞質(zhì)中進行，TCA循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進行，而氧化磷酸化則在線粒體膜上進行.2)遠程調(diào)控，如胰島素激活其受體發(fā)生在細胞膜上，而其下游mTORC1的激活發(fā)生在晚期溶酶體表面，mTORC1激活S6K1及eIF4E引起的核糖體及蛋白質(zhì)的合成則發(fā)生在核糖體上.3)多蛋白復合體，為了能及時、準確地調(diào)控能量代謝，起“開關”作用的關鍵調(diào)節(jié)分子如AMPK、mTOR等往往形成巨大的多蛋白復合體，通過復合體組分的動態(tài)變化實現(xiàn)代謝通路的啟動或關閉.4)調(diào)節(jié)分子多樣化，除蛋白分子外，代謝的中間產(chǎn)物如AMP、F-2,6-P，甚至營養(yǎng)物質(zhì)如葡萄糖、亮氨酸、精氨酸、脂肪酸本身，都能作為信號分子與相應的蛋白分子結合，參與能量代謝的調(diào)控.5)代謝酶的多功能性，經(jīng)典的代謝酶反過來調(diào)控信號網(wǎng)絡中調(diào)節(jié)蛋白的活性，如糖酵解中的PKM2可以轉錄激活c-MYC的表達，而c-MYC則可進一步激活一系列參與糖酵解及生物合成的酶的表達.IDH1的R132H和IDH2的R172K突變體能產(chǎn)生高濃度的2-羥基戊二酸(2-hydroxylglutarate，2-HG)，進而上調(diào)HIF-1α的表達.6)動態(tài)，根據(jù)細胞內(nèi)環(huán)境及能量狀態(tài)的變化，細胞能量代謝信號調(diào)控網(wǎng)絡的各成分在時空上都在發(fā)生著動態(tài)變化.

基于以上細胞能量代謝信號調(diào)控網(wǎng)絡的特點，目前的研究瓶頸和未來可能努力的方向有：

她身材高挑，留著修剪精細的短發(fā)，穿著一件質(zhì)地很好的灰色羊絨衫，臉色有些蒼白。老福心想，她雖然不算是個美人，但氣質(zhì)獨特，特別是她盯著人看的那雙眼睛，成熟而內(nèi)斂，讓老福感到了緊張。

1)原位

目前對代謝的研究集中在體外培養(yǎng)細胞和離體組織.體外培養(yǎng)細胞的培養(yǎng)環(huán)境不能很好地反映機體內(nèi)環(huán)境的真實情況；離體組織在處理過程中，迅速的缺血、缺氧等變化會導致細胞代謝發(fā)生劇烈變化，也很難反映動物體內(nèi)活體組織細胞在原位的代謝變化，因此急需開發(fā)新的代謝物標記技術、蛋白和代謝物的原位無損檢測及微量檢測技術.

2)實時動態(tài)

目前的各種檢查技術，包括組學和對代謝物的檢測，都是確定組織或細胞在某一時間點的各種生物分子的相對數(shù)量，很難對同一組織或細胞進行動態(tài)檢測，了解各種生物分子在某一生命過程中的動態(tài)變化.亟待開發(fā)相應的技術動態(tài)研究同一細胞、組織在不同生理情況下或不同發(fā)展階段的代謝變化，如細胞在分化、衰老、惡性轉化過程中的代謝變化，以及組織在不同生理、病理情況下的代謝變化.值得一提的是，最近Deplancke課題組[125]建立了一種利用射流力顯微鏡在RNA提取過程中保持細胞活力的單細胞轉錄組分析方法——Live-seq，通過在不同的時間點對同一細胞進行單細胞轉錄組分析和下游分析，開辟了單細胞瞬時動態(tài)分析的新領域.該技術有望拓展至質(zhì)譜分析，檢測蛋白和代謝產(chǎn)物.

3)區(qū)域化

在組織器官層面，由于組織器官內(nèi)部不同區(qū)域存在結構和功能的差異，如腎臟的皮質(zhì)和髓質(zhì)、垂體的前葉和后葉、腫瘤的中心和四周等，目前尚缺乏對不同區(qū)域的原位代謝研究方法，開發(fā)這類研究方法也是下一步代謝研究的發(fā)展方向.

在細胞層面，不同亞細胞結構和區(qū)域的代謝差異很大，目前盡管可以借助超高分辨熒光顯微技術了解細胞能量代謝信號調(diào)控網(wǎng)絡的各組分在不同生理狀態(tài)下的空間(亞細胞、亞細胞器)分布的變化規(guī)律，借助質(zhì)譜技術了解細胞能量代謝信號調(diào)控網(wǎng)絡中各組分含量在不同空間(細胞器)及多蛋白復合體中的變化規(guī)律，但是仍然缺乏檢測各種細胞器中代謝調(diào)控分子和代謝中間產(chǎn)物的方便、快捷的技術和方法，缺乏在活的單細胞水平上動態(tài)檢查代謝變化的技術和方法.

4)定量

目前對代謝調(diào)控分子和代謝中間產(chǎn)物的研究主要以定性描述為主，極其缺乏定量檢測的方法和手段.如缺乏定量測定活體組織內(nèi)部不同區(qū)域在不同生理、病理情況下代謝調(diào)控分子和代謝中間產(chǎn)物的技術和方法，同樣尚不清楚各種細胞器內(nèi)代謝調(diào)控分子和代謝中間產(chǎn)物的絕對定量.因此，代謝的定量研究任重道遠，是今后需要努力的方向之一.

5)多參數(shù)

代謝網(wǎng)絡極其復雜，要揭示某一特定代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律，必須同時考慮時間因素、空間因素、組織器官間的交流、細胞器間的交流等問題，必須同時具備對生物大分子如核酸、蛋白及代謝小分子的檢測方法.因此，測定多參數(shù)的多種方法的聯(lián)合應用也是未來的一個發(fā)展方向.

總之，只有系統(tǒng)地揭示細胞能量代謝信號調(diào)控網(wǎng)絡的整體運行規(guī)律，才能為癌癥、肥胖、糖尿病、心血管疾病等因細胞能量代謝紊亂而引起的疾病的預防及治療提供理論基礎及藥物靶點，最終為提高人類的健康水平和生活質(zhì)量貢獻力量.