Sestrin-mTOR信号通路在有氧运动改善机体糖代谢过程中的作用研究进展

黄嵩 傅力

天津医科大学生理学与病理生理学系（天津 300070）

Sestrins（Sesns）是一组进化上高度保守的应激诱导蛋白，可由缺氧、饥饿、基因毒性应激、DNA损伤、氧化应激等多种因素诱导产生[1]。无脊椎动物的Sesns基因只有一个同系物，而有脊椎动物则有三个同系物，包括Sesn1、Sesn2和Sesn3[2]。哺乳动物中的Sesn1最初被称为p53活化基因26（PA26），由Velasco-Miguel等人于1999年研究p53基因靶物时首次发现并分离提纯[3]。Sesn2则是随后被发现的 PA26类似物，最初被称为低氧诱导基因 95（Hi95），而作为抑癌基因 p53的靶物，Sesn1和Sesn2在细胞自噬和发育过程中发挥着重要的调节作用[4,5]。Sesn3受叉头盒转录因子家族成员FoxO（forkhead box O,FoxO）的调节，它可以通过激活mTORC2-AKT信号通路来增强肝脏的胰岛素敏感性[6]。前期研究表明Sestrins可降低细胞内氧化自由基（reactive oxygen species,ROS）水平而起到抗氧化和保护细胞的作用[2]。另一方面 Sestrins也可抑制mTORC1 的活性[7]。

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，以 mTORC1和mTORC2两种形式存在于细胞内，其中mTORC1对雷帕霉素敏感，而mTORC2对雷帕霉素不敏感。mTORC1是细胞内感受生长因子、氧化应激和能量水平变化等各种应激因素的主要调节器，而mTORC1刺激能增加 p70核糖体蛋白 S6激酶（p70 ribosomal protein S6 kinase,S6K1）和 4E-结合蛋白1（4E-binding protein 1,4E-BP1）的磷酸化，最终引起细胞蛋白质和脂质合成增加、促进细胞增殖和生长[8]。有研究表明，mTOR信号通路的持续性激活与肥胖、癌症、糖尿病等疾病有关[9]。营养过剩可引起mTORC1激活，而mTORC1和 p70S6K信号通路的慢性激活能引起胰岛素受体底物-1（insulin receptor substrate-1,IRS-1）的反馈抑制，进而引起IR[10]。Budanov等人研究表明Sestrins可抑制mTORC1活性[7]，而我们的前期研究也证明长期有氧运动能显著增加Sestrin2和Sestrin3的表达[11]，因此推测Sestrins-mTOR通路在运动维持机体糖代谢稳态、保护细胞和机体免受糖代谢异常影响过程中可能发挥重要作用。

1 Sestrins-mTOR通路的调控

1.1 Sestrins通过AMPK调控mTORC1

许多在体和离体的Sestrin2基因沉默或特异性敲除实验显示，在包括肝脏在内的多种组织中，Sestrin2组织特异性敲除可引起mTOR信号通路的持续激活，而mTOR-p70S6K信号通路的持续激活和肥胖、糖尿病等糖代谢稳态失调有关。最早探寻Sestrins调节mTORC1机制的Budanov等人认为该调节依赖于AMPK（AMP-activated kinase）[7]。AMPK作为一种异源三聚体蛋白激酶，是机体内重要的能量感受器，可受饥饿、ATP产生减少、AMP/ATP比值升高等细胞能量减少状态和其他应激因素的诱导产生，而其活性增加可负性调节 mTORC1的活性。Budanov等发现，Sestrin1和Sestrin2可激活 AMPK并通过 AMPK增强 TSC2（tuberous sclerosis complex 2）的磷酸化，从而增强TSC2 的 GAP（GTPase-activating protein）活性[7]。而 Rheb作为激活 mTORC1活性的重要 GTP酶（GTPase），TSC2的 GAP活性增强则能引起对 Rheb的抑制，进而抑制 mTORC1活性，因此 Sestrins可通过 AMPK-TSC2途径抑制 mTORC1活性。为支持这一观点，Budanov等人通过使用 Compound C（AMPK拮抗剂）和shRNA对 AMPK进行抑制后发现AMPK活性抑制可使 Sestrins对 mTORC1的抑制作用减弱[7]。有趣的是，一项关于 Compound C的研究发现，Compound C对AMPK的抑制可通过促使线粒体ROS产生和堆积来上调Sestrin2的表达[12]。

另外，Lee等人的实验也发现，在 Sestrin2基因敲除小鼠（Sestrin2-/-）体内，肥胖诱导的IR和糖尿病进展加速，且小鼠肝脏和脂肪组织对胰岛素的反应性显著降低[13]。而在基因诱导性肥胖小鼠（Lepob/ob）中，Sestrin2敲除小鼠（Sestrin2-/-/Lepob/ob）和对照组小鼠（Sestrin2+/-/Lepob/ob）相比，前者肝脏中代表 mTORC1活性的 mTOR-Ser2481位点磷酸化水平升高，表明Sestrin2的缺失引起 mTORC1活性的增强[13]。为进一步探究 AMPK的作用，Lee等人在Sestrin2基因敲除小鼠中通过使用AICAR（AMPK激动剂）或持续表达活性AMPK的腺病毒（Ad-AMPKCA）来提高AMPK的表达，发现Sestrin2基因敲除小鼠的血糖水平有所降低[13]，这进一步支撑了AMPK是Sestrins调控代谢稳态的重要下游靶物的概念。因而Sestrins可通过AMPK来抑制mTORC1的活性。

1.2 Sestrins-Rags复合物-GATOR-mTORC1

根据之前的研究结果，mTORC1可通过Rheb（Ras homolog enriched in brain） 和 Rag（Ras-like small GTPases）这两个GTP酶亚家族成员来感受包括生长因子和营养素在内的多种因素的刺激，从而调节蛋白质、脂质合成和细胞生长[14,15]。目前已知RagA或RagB可与RagC或RagD组成异源二聚体Rags复合物，其中RagA与RagB、RagC与RagD互为同系物。当机体感受营养素刺激如氨基酸时，RagA/BGTP-RagC/DGDP复合物可募集mTORC1并使其转位到溶酶体，进而通过GTP结合状态的Rheb刺激mTORC1激活。Peng等人的研究认为，Sestrins可作为鸟嘌呤核苷酸解联抑制剂（guanine nucleotide dissociation inhibitor,GDI），通过与RagA/B-RagC/D直接结合而对RagA/B起抑制作用，进而抑制mTORC1的活性[16]。然而，Kim等人和Saxton等人关于人Sesn2晶体结构的研究则发现，Sestrins和GDI蛋白并无结构上的同源性[17,18]。且Sestrins和Rag A/B之间的直接相互作用在其他后续实验中并未得到证实[17，19]，因而关于 Sestrins是否直接结合 Rags复合物进而抑制mTORC1，仍有待进一步深入研究。

另一方面，Parmigiani等人的研究发现，在AMPKα 1敲除（AMPKα1-/-）小鼠胚胎成纤维细胞（mouse embryonic fibroblasts,MEF）中，Sestrin2仍能以AMPK非依赖性方式来抑制mTORC1活性[20]。他们利用质谱仪对转染了SBP-Flag-Sesn2的人类乳腺上皮细胞MCF10A中含有Sestrin2的多种蛋白复合物进行纯化分析后发现，这些蛋白质中含有GATOR2的蛋白成分，包括Mios、WDR59、WDR24、Seh1L和Sec13。在此之后，他们进一步利用抗Flag标签磁珠对Flag-Sesn2和GATOR1/2成分进行免疫共沉淀后发现，GATOR2的全部蛋白成分而非GATOR1，都和Flag-SESN2形成了共沉淀，提示GATOR2和Sestrin2的结合[20]。根据B.Peled等人的研究结果，GATOR2能够与GATOR1结合而抑制GATOR1的活性，而GATOR1则是Rag A/B的GAP[21]。Parmigiani等进一步发现GATOR1的沉默破坏掉了Sestrin2对p70S6K磷酸化的抑制[20]，因而提出Sestrin2能以GATOR依赖性方式抑制mTORC1。以上研究成果表明，Sestrin2能结合GATOR2而解除GATOR2对GATOR1的抑制，进而激活GATOR1来抑制Rag复合物，最终抑制mTORC1的活性，而这种方式是AMPK非依赖性的。

1.3 Sestrins的氨基酸感受器作用

Sestrins除了通过Rag复合物和GATOR蛋白来抑制mTORC1活性以外，还可以参与氨基酸（amino acids,AA）的信号通路，最近的研究表明Sestrins可以与Rag A/B GTP酶或者GATOR2复合物直接作用而调节氨基酸刺激的mTORC1的活性[20]。在去AA培养基孵育的细胞中，mTORC1产生了从溶酶体向细胞基质的重新分布，而Sestrin2的异位达则能起到和AA剥夺一样的作用，即阻止mTORC1转位到溶酶体及其后续的激活。在重新给予AA后，对照组细胞p70S6K的磷酸化有所恢复，但是持续表达Sesn2的HEK293T细胞和H1299细胞则不能恢复p70S6K的磷酸化，且经过AA饥饿的细胞，其Sestrin2-GATOR2复合物变得不稳定，这些都表明Sestrin2可以干预AA刺激的mTORC1的激活[20]。Wolfson等人的研究[22]也表明，hSesn2可以在Kd=20 μM的情况下直接结合亮氨酸，且亮氨酸与hSesn2结合后会改变hSesn2的熔点，进而阻止hSesn2结合到GSTOR2上。基于这些发现，Wolfson等人认为Sestrin2可以作为亮氨酸感受器，AA与Sestrins的结合使得Sestrins-GATOR2复合物不稳定，从而削弱Sestrins对mTORC1的抑制作用，而Sestrins仅能在缺乏亮氨酸的情况下才能结合GATOR2[22]。不过与此相矛盾的是，在Kim和Parmigiani的研究中，用含有亮氨酸300～800 μM的传统培养基所培养的细胞中，其Sestrin2-GATOR2复合物依然稳定存在[19,20]，而300～800 μM的亮氨酸浓度则远高于理论上hSesn2从GATOR2上解离时的Kd（Kd=20 μM）。因此，亮氨酸对Sestrin2的效应可能取决于不同的生理条件。

1.4 Sestrins-mTORC2-AKT信号通路

mTORC2 复合物由 mTOR、Deptor、mLST8、Tti1/Tel2、Rictor（rapamycin-insensitive companion of mammalian target of rapamycin）、Sin1和Protor1/2组成，而Rictor则是mTORC2组成成分中必不可少的调节性亚基。Kumar和他的研究团队通过建立脂肪细胞特异性Rictor敲除小鼠（FRic-/-）发现，Rictor缺陷小鼠的脂肪细胞阻碍了胰岛素刺激的AKT在Ser473位点的磷酸化，并使得下游靶物如FoxO3和T32等的磷酸化受损，而该通路受损使得胰岛素刺激的葡萄糖转运体4（Glut4）转位到细胞膜的水平下降，从而导致糖摄取减少[23]，提示Rictor/mTORC2在维持全身糖稳态和改善骨骼肌IR中的潜在作用。在研究Sestrins功能的过程中，Lee等人发现在培养细胞和小鼠体内，Sestrins能增加mTORC2依赖的AKT的磷酸化[13]。Tao等人的研究发现，Sesn3的过表达能分别引起Rictor-mTORC2复合物的增加和Raptor-mTORC1复合物的减少，提示Sestrin3可以通过mTORC2的调节性亚基Rictor结合并激活mTORC2，然后刺激AKT在Ser473位点的磷酸化[6]。综合Lee和Tao的研究[6，13]，Sestrins可以在培养细胞、小鼠以及果蝇中上调mTORC2依赖的AKT磷酸化，从而通过mTORC2-AKT通路维持糖稳态。而另一项研究则认为Sestrins诱导的TSC1：TSC2复合物的激活也能够以mTORC1非依赖性的方式激活mTORC2[24]。

而Sestrins调节mTORC2-AKT信号通路的作用对于改善机体IR和糖尿病则至关重要，因为对Sestrin2和Sestrin3基因双敲除小鼠实验表明，Sestrins缺陷可以引起mTORC1信号通路的超活化，同时使AKT通路活性降到最低并引起自发的IR[13]。此外，在一项研究mTORC2在运动过程中对骨骼肌糖摄取作用的实验中[25]，研究人员首次发现小鼠在运动时其骨骼肌细胞内mTORC2活性增加，且骨骼肌特异性敲除 Rictor小鼠（敲除Rictor后mTORC2活性丧失）和对照组相比，其运动中骨骼肌葡萄糖摄取能力下降，这与Kumar等人的研究结果相一致[23]。因此Sestrin2-mTORC2-AKT信号通路对于运动调节糖代谢具有潜在作用，而关于Sestrin2如何上调mTORC2，目前认为Sestrins可能通过多种机制提高mTORC2的活性，所以未来仍需要对此做深入研究。

2 Sestrins-mTOR在运动改善糖代谢中的作用

如前文所述，mTOR的两种活性形式mTORC1/2都参与了糖稳态的调节：一方面，mTORC1-p70S6K信号通路的过度激活能引起对IRS-1的反馈抑制，从而引发IR；另一方面，mTORC2-AKT信号通路对于维持胰岛素刺激的骨骼肌糖摄取有重要作用。而Sestrins对mTORC1的抑制和对mTORC2的上调在运动改善糖代谢中的重要作用更是被广泛观察到。我们实验室之前的研究证实，在给予正常饮食和高脂饮食喂养的小鼠中，长期运动能显著增加骨骼肌细胞自噬（autophagy）水平和Sestrin2/3的表达[11]，从而改善IR。Rivas等人发现，在经过4周运动训练后的大鼠体内，高脂饮食（high-fat diet,HFD）诱导的mTOR激活和骨骼肌IR发生逆转[26]。此外，Maiuri等人的研究也发现Sesn2能通过抑制mTOR来上调自噬水平[27]。与之相符合的是，我们实验室 Li等人在另一项研究中也证明 Sestrins-AMPK-mTORC1通路能增加骨骼肌细胞自噬，且运动诱导的Sestrin2上调和Sestrin2诱导的自噬均通过AMPK的激活来改善高脂诱导的胰岛素信号受损模型[28]。另一方面，Brandt等人观察到 mTORC2能参与白介素抑制因子（leukemia inhibitory factor,LIF）刺激的骨骼肌糖摄取[29]。在另一项关于mTORC2的研究中，Kleinert等阐明运动能上调mTORC2的表达，且在运动中Rictor/mTORC2缺陷的小鼠其胰岛素刺激的葡萄糖摄取受损[25]。而 Tao等人也发现Sesn2和Sesn3能结合Rictor来直接促进mTORC2的催化活性[6]，提示Sestrins上调mTORC2-AKT信号通路。

综上所述，运动可增加Sestrins的表达，而Sestrins可通过激活AMPK、与Rag复合物结合、调节 GATOR复合物、感受氨基酸水平等方式来抑制mTORC1的活性，并上调mTORC2-AKT通路的活性来改善IR和胰岛素刺激的葡萄糖摄取。因此，Sestrins-mTOR通路在运动改善机体糖代谢过程中发挥重要调节作用。

3 小结

随着肥胖和T2DM的发病率逐年增高，如何预防和治疗IR和T2DM已经成为当前医学界的研究热点。运动作为改善机体能量代谢的有效方式，其在防治IR方面的重要作用也越来越受关注。现已明确，运动能够增加应激诱导蛋白Sestrins的表达，而SestrinsmTOR通路在介导运动改善糖代谢过程中具有潜在的治疗作用。因此，未来研究应关注运动通过SestrinsmTOR通路改善组织细胞葡萄糖代谢的机制，为将运动作为预防疾病、促进健康的手段提供理论依据。