氨基酸通过mTORC1通路调节自噬的研究进展

崔梦竹,姜晓峰，梁红艳

(哈尔滨医科大学附属第四医院 检验科,黑龙江 哈尔滨150000)

细胞对营养物质可用性变化做出反应的能力对于维持代谢增生和生存能力至关重要。哺乳动物雷帕霉素(mTOR)靶蛋白是保守的丝氨酸/苏氨酸激酶,它是mTOR复合物1(mTORC1)的一部分,mTORC1是将氨基酸可利用性与细胞生长和自噬相结合的主要调节因子。自噬是一种溶酶体降解途径,对细胞生存、分化、发育和体内平衡至关重要。自噬主要起到适应性作用,以保护生物免受包括感染、癌症、神经变性、衰老和心脏病在内的多种病症的侵害。在此我们对近年关于氨基酸通过mTORC1信号通路调节自噬的研究情况进行综述,从而为临床通过调节氨基酸浓度干预疾病发生发展提供思路和理论根据。

1 mTORC信号通路概述

1.1 mTOR基本概念

细胞和机体需要整合环境的有效信息来确保它们仅在有利的环境下生存。雷帕霉素(TOR)靶蛋白--高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶是各种环境因素的关键整合剂,包括营养状态、生长因子及各种环境因素。mTOR是一种称为雷帕霉素的分子靶标,具有广泛的抗增殖性质。mTOR与几种蛋白质相互作用以形成mTOR复合物1(mTORC1)和mTOR复合物2(mTORC2)的两种不同复合物。mTORC1对营养刺激以及雷帕霉素(rapamycin,Rap)较敏感,主要接收并整合来自细胞内与细胞外的信号,如氨基酸等营养物质、胰岛素等生长因子、能量水平和缺氧等环境压力,参与细胞中转录、翻译、自噬等调控。而mTORC2对Rap、生长因子和营养刺激等不敏感,主要参与调控肌动蛋白在细胞骨架中的组装和细胞存活等过程[1]。

1.2 mTORC1 的上游信号转导

雷帕霉素是mTORC1的一些生长因子和有丝分裂信号通路的下游介质,它们会抑制mTORC1负调节因子——结节性硬化症复合物(TSC)的作用。TSC是一种包括TSC1/TSC2/TBC1D7的异源三聚体复合物,其功能为小GTP酶Rheb活化蛋白,直接结合并激活mTORC1[2]。mTORC1还响应与细胞生长不相容的细胞内和细胞外环境压力,例如低ATP水平、缺氧或DNA损伤。除了葡萄糖依赖性胰岛素释放之外,由于膳食蛋白质的消化,摄食还导致血清氨基酸水平的增加。由于氨基酸不仅是蛋白质的基本组成部分,而且还是许多其他代谢途径的能量和碳源,因此mTORC1活化与饮食诱导的氨基酸浓度变化紧密相关。

1.3 mTOR的下游信号传导

1.3.1调节蛋白质合成

mTORC1主要通过磷酸化两种关键效应蛋白 p70S6激酶1(p70S6 Kinase 1,S6K1)和eIF4E结合蛋白(eIF4E Binding Protein,4EBP)来促进蛋白质合成。 mTORC1在其疏水基位点Thr389处直接磷酸化S6K1,其随后PDK1促进其磷酸化和活化。S6K1磷酸化和激活若干促进mRNA翻译起始的底物,包括eIF4B(5`帽端结合eIF4F复合物的正调节物)。S6K1还磷酸化并促进eIF4B抑制剂PDCD4的降解,并通过其外显子-连接复合物SKAR来增强剪接mRNA的翻译效率[3]。Razaviyan J等[4]发现miR-3182、miR-557、miR-96可以作为三阴性乳腺癌靶向治疗中mTOR和S6K的抑制剂。

1.3.2调节脂质、核苷酸和葡萄糖代谢

细胞生长需要足够的脂质用于细胞膜形成延伸。mTORC1通过胆固醇响应元素结合蛋白(sterol responsive element binding protein,SREBP)转录因子促进新的脂质形成,它控制参与脂肪酸和胆固醇生物合成的基因表达。然而SREBP为了响应低水平胆固醇而活化,mTORC1信号同时可以通过S6K1依赖机制或抑制Lipin1(在不存在mTORC1信号时抑制SREBP)单独激活SREBP[5]。最近的研究表明,mTORC1还促进核苷酸合成,以用于在细胞生长和增殖过程中的DNA复制和核糖体形成[1]。

1.3.3调节蛋白质转换

mTORC1通过抑制蛋白质分解代谢促进细胞生长,尤其是细胞自噬过程。自噬早期的一个重要步骤是激活ULK1,其与AG13/FIP2000/ATG101形成酶复合物,并促进自噬体的形成。在营养充足时,mTORC1磷酸化ULK1(unc-51 like kinase 1),从而阻止其被重要的激活因子AMPK激活[6]。因此,在不同细胞状态下mTORC1和AMPK的相对活性在很大程度上决定了诱导自噬发生的程度。mTORC1还通过磷酸化和抑制转录因子EB(TFEB)的核转位在一定程度上调节自噬,该过程驱动溶酶体生物合成基因和自噬相关基因的表达[7]。

2 自噬

2.1 自噬调节途径及生理作用

自噬是细胞应激源激活的主要分解代谢过程,包括营养和能量饥饿。自噬开始于自噬体的重新产生,自噬体是一种双膜囊泡,其膨胀以吞噬相邻的细胞质组分和细胞器。自噬体的形成是由一组被称为ATG或“自噬相关”蛋白驱动。成熟的自噬体在与溶酶体融合后酸化形成自噬溶酶体[8]。与自噬体融合的溶酶体提供了腔酸水解酶,其降解捕获的蛋白质、脂质、碳水化合物、核酸和细胞器以提供营养物质,然后通过溶酶体通透酶将其分泌回细胞质中,应激状态下的细胞得以利用。

当营养丰富情况下,mTORC1 处于活化状态,它可以通过磷酸化 ULK1和 ATG13来抑制细胞自噬,降低ULK1激酶活性[9,10]。当细胞需要生成细胞内营养物质和能量时,例如在饥饿、生长因子缺乏或高生物能需求时,它会迅速上调。当细胞准备进行结构重塑时(例如在发育过程中),或者例如在氧化应激、感染或蛋白质聚集体积聚过程中清除损伤的细胞质成分时,自噬也上调。营养状况、激素和其它因素如温度、氧浓度和细胞密度在控制自噬中很重要。自噬主要起到适应性作用,以保护生物免受包括感染、癌症、神经变性、衰老和心脏病在内的多种病症的侵害[11]。

2.2 氨基酸通过mTORC1调节自噬

自噬对氨基酸波动有反应的知识早于ATG基因的鉴定和克隆。1977年,Schworer及其同事表明,在没有氨基酸的情况下灌注大鼠肝脏会迅速诱导自噬体数量[12]。随后显示支链氨基酸,特别是亮氨酸,是抑制蛋白质周转和自噬重要因素[13]。

细胞溶质亮氨酸(Leu)和精氨酸(Arg)通过包含GATOR1和GATOR2复合物的独特途径传递mTORC1。GATOR1和GATOR2分别是mTORC1信号传导的负调控和正调控因子。感应胞质氨基酸的一个重要因子是Sestrin2,它与GATOR2相互作用,在氨基酸缺失条件下抑制mTORC1信号传导[14]。有趣的是,另一项最近的研究发现,Sestrin2通过应激反应转录因子ATF4在持续的氨基酸饥饿条件下被转录诱导,表明Sestrin2既是一种急性亮氨酸传感器,也是一种长期氨基酸缺乏时的间接介质[15]。细胞质精氨酸还通过直接结合最近鉴定的精氨酸传感器CASTOR1(mTORC1的细胞精氨酸传感器),通过GATOR1/2-Rag途径激活mTORC1。就像Sestrin2一样,CASTOR1在没有精氨酸的情况下结合并抑制GATOR2,并且在精氨酸结合时解离,使mTORC1活化。因此,亮氨酸和精氨酸两者至少部分通过将GATOR2上的抑制剂解离,刺激mTORC1活性,建立以GATOR2为中心节点mTORC1氨基酸信号传导途径。

氨基酸介导的自噬抑制的关键下游效应物之一是mTOR。mTORC1的机制性靶点是一种整合主要信号传导途径的中枢细胞激酶,能够调节包括巨自噬/自噬和溶酶体生物发生的合成和分解过程。这些过程的关键是TFEB的调节活性。在调节RRAG/Rag GTPases转录水平的调节反馈回路中,TFEB控制mTORC1与膜结合,并在营养补充时诱导合成代谢过程。

Jiang Y等[16]发现Arg/N端规则通路可能通过正向调节自噬通量,积极地保护细胞免受细胞应激,包括蛋白质毒性蛋白积累的有害影响。Zhou S等[17]发现精胺通过ATG5依赖性自噬抑制了肝细胞M1极化、Kupffer细胞M2极化,从而抑制肝内巨噬细胞促炎症反应减轻急性肝损伤。研究发现自噬在ATG5或ATG7缺失的新生小鼠中显著维持细胞营养物稳态。这些自噬缺陷小鼠出生后几乎没有身体缺陷和预测的孟德尔比率,在出生后24 h内死亡。强制喂养可以延长生存期,表明营养物质代谢在哺乳动物过早死亡方面其重要作用。关键代谢物的分析证实,自噬缺陷的新生儿患有全身氨基酸缺乏和葡萄糖水平降低。有趣的是,在培养的正常肝细胞中,蛋白质降解速率在饥饿时增加了总蛋白质的3%。几乎所有这些增加都归因于自噬。通过自噬进行材料回收是在营养限制时消耗细胞质成分所需的进化保守机制[18,19]。因此,在急性饥饿期间,自噬成为能够暂时恢复细胞营养和能量平衡的必不可少的应激反应过程。

2.3 自噬与疾病的关系

Ik-Jung Kim 等[20]发现幽门螺旋杆菌产生的空泡毒素(VacA)对线粒体功能的影响与细胞氨基酸稳态的改变有关,这将抑制mTORC1和随后的自噬。这种依赖VacA的mTORC1信号传导的抑制与mTORC1从溶酶体表面解离有关,并导致通过Ulk1复合物激活细胞自噬。VacA中毒导致细胞氨基酸减少,增强氨基酸库可防止VacA介导的mTORC1抑制。帕金森病(PD)是几种神经变性疾病的集合之一,α-突触核蛋白等蛋白质明显增多。自噬功能障碍导致这种蛋白积聚和随后的多巴胺能神经变性可能是PD的原因之一,胶质细胞成熟因子(GMF),一种脑局部炎症蛋白,诱导PD多巴胺能神经变性,抑制GMF可以防止1-甲基-4-苯基吡啶离子(MPP,一种诱导体外实验性PD的神经毒素)诱导的多巴胺能神经元的丢失[21,22]。Selvakumar GP等[23]证实了GMF通过自噬作用机制导致多巴胺能神经元的丢失,并提出GMF介导的自噬功能障碍是PD进展的促成因素之一。同时大量研究表明自噬可以预防或促进癌症早期或者晚期肿瘤生长[24]。Di Fazio P等[25]发现自噬在肝肿瘤发生中起着基础作用,其决定了非功能性蛋白质和细胞器的积累水平,这种降解机制的缺失可促使细胞改变其代谢状态并转变为恶性细胞。自噬蛋白Beclin-1的杂合功能丧失可触发肝肿瘤的发生,甚至由最终的自溶酶体融合和降解过程的阻断引起的蛋白质积累是导致肝癌发展的原因。Ke P Y等[26]发现自噬在促进宿主细胞丙型肝炎病毒(HCV)生命周期中起重要作用,且HCV可启动细胞的多种信号通路表明自噬过程是平衡HCV-宿主细胞相互作用所必需的,并且参与HCV相关肝病的发病机制。Pankratz F等[27]发现MicroRNA-100在对血管损伤和炎症的反应中具有抗炎功能,并且验证了mTOR信号传导和自噬是心血管系统中的新型重要调节剂。作者对miR-100作为潜在的保护性抗动脉粥样硬化microRNA的研究表明,该microRNA的替代性治疗可能是未来治疗慢性炎性疾病(如动脉粥样硬化)的潜在策略。作为乙酰胆碱的前体,胆碱通过抑制缺血性心肌细胞凋亡而保护心脏。Hang P等[28]发现胆碱可通过激活Akt/mTOR通路抑制过度自噬,从而预防心肌缺血再灌注(IR)损伤。

一个必然的问题是自噬功能是否随着年龄的增长而下降,如果是这样,这种下降是否会导致衰老和对年龄相关疾病的易感性。事实上,随着啮齿动物和人类的衰老,经典自噬(巨自噬)和分子伴侣介导的自噬都会降低。虽然衰老自噬减少的机制尚不清楚,但至少在啮齿动物肝脏中已发现涉及对自噬激素调节(例如胰高血糖素,胰岛素)的反应和自噬体降解的改变[29]。

3 结论与展望

根据以上研究表明氨基酸作为人体重要的营养物质之一在维持机体内环境稳态、正常代谢方面起着重要作用。氨基酸通过mTORC1途径调节细胞自噬对于很多疾病的发生发展有重要影响,因此我们预测可以通过氨基酸浓度的调节对临床疾病治疗及预后产生帮助。