氨基酸代谢物与线粒体自噬

王梦妍,褚秀玲,王琪琳

(1. 聊城大学 生命科学学院,山东 聊城 252059;2. 聊城大学 农学与农业工程学院 山东 聊城 252059)

1 引言

在活性氧(ROS)胁迫、营养缺乏、有毒化学物质以及细胞衰老等外界条件的刺激下,线粒体DNA(mtDNA)突变会逐渐累积,细胞内线粒体的膜电位会降低乃至去极化而受损。为了维持线粒体和细胞稳态,防止受损线粒体损伤细胞,损伤的线粒体被特异性标记并被特异性包裹进自噬体中,然后与溶酶体融合,从而在溶酶体中完成降解过程(见图1)。线粒体自噬是一种通过特异性清除细胞质中功能失调的线粒体从而维持线粒体功能完整性和细胞稳态的选择性自噬。线粒体自噬广泛存在于哺乳动物中,对于维持细胞内的线粒体平衡、线粒体质量控制具有重要作用,因此调节线粒体自噬或许能成为治疗某些疾病的一个新方向。

图1 线粒体自噬的主要过程(引自Lu Y, et al. 2023)

氨基酸是蛋白质合成的基本单位,它们也可以作为碳源为细胞提供生物能源;另外,某些氨基酸可以作为信号分子参与信号转导,比如氨基酸能被相应的传感器感知,导致哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)的激活和自噬通量的抑制[1]。一些氨基酸相关代谢物在相应条件下,可作为线粒体自噬的调节因子。线粒体自噬缺陷会导致受损线粒体的积累,这与多种疾病的发病机制有关。本文重点介绍了谷氨酰胺(氨)、γ-氨基丁酸、一氧化氮、亚精胺、褪黑素、半胱氨酸以及谷胱甘肽等氨基酸代谢物对线粒体自噬调控机制的研究进展,为进一步研究氨基酸代谢物调控线粒体自噬机制提供一定的理论基础。

2 谷氨酸代谢物与线粒体自噬

2.1 谷氨酰胺与线粒体自噬

谷氨酰胺作为最丰富的氨基酸,是核苷酸、氨基酸和六胺生物合成的氮源,也是谷氨酰胺分解为三羧酸循环中间物提供生物能的碳源,还可以参与线粒体自噬[2]。在谷氨酰胺分解过程中,谷氨酰胺通过氨基酸转运蛋白ASCT2/SLC1A5进入细胞,并在线粒体中被谷氨酰胺酶(GLS)催化转化为谷氨酸,谷氨酸再被谷氨酸脱氢酶或丙氨酸或天冬氨酸转氨酶转化为三羧酸循环的中间物α-酮戊二酸和氨。谷氨酰胺对自噬的调控较为复杂:一方面,谷氨酰胺生成的氨可以促进线粒体自噬,通过产生的氨来调节溶酶体的pH值,从而调控溶酶体内的降解过程以满足细胞活动的需要[3];另一方面,谷氨酰胺可以间接激活mTOR,抑制自噬。氨以前被认为是癌细胞中可扩散的自噬诱导分子。研究发现,添加氨可增加哺乳动物细胞中BNIP3(Bcl2相互作用蛋白3)、PINK1(PTEN 诱导的激酶1)和PRKN(Parkin RBR E3泛素蛋白连接酶)的表达,导致线粒体自噬的增加。抑制GLS活性和谷氨酰胺戒断可降低细胞BNIP3的表达[4]。在常氧条件下,氨暴露促进缺氧诱导因子HIF1A的稳定,并提高靶基因(包括Bnip3)的转录[5]。谷氨酸可以促进PRKN易位到线粒体上进行泛素化标记;过量的谷氨酸也可以触发Ca2+进入线粒体,Ca2+与RHOT1(Ras homolog family member T1)结合,导致线粒体迁移受阻和PRKN募集到线粒体上,从而启动线粒体自噬[6, 7]。

2.2 γ-氨基丁酸与线粒体自噬

γ-氨基丁酸(GABA)是谷氨酸在谷氨酸脱羧酶(GAD)的催化下合成的一种四碳非蛋白质氨基酸,是大脑中最重要的一种抑制性神经递质。除了作为神经递质,γ-氨基丁酸还是神经发生及神经修复中的重要营养因子,参与调节氧化还原电位。γ-氨基丁酸与谷氨酸共同维持神经兴奋的平衡,这对避免情绪障碍的发生至关重要。γ-氨基丁酸(GABA)代谢紊乱在多种人类神经系统疾病中均有表现[8, 9]。在抑郁症发病机制中,其中兴奋性神经递质谷氨酸浓度升高,抑制性神经递质γ-氨基丁酸浓度降低,可引起兴奋的失调。此外,γ-氨基丁酸功能障碍导致兴奋/抑制失衡也是诱发阿尔茨海默病(AD)的潜在因素,AD患者大脑中神经递质失衡,兴奋性神经递质谷氨酸、天冬氨酸浓度降低,抑制性神经递质甘氨酸浓度降低,GABA浓度升高[10]。β-淀粉样蛋白(Aβ)及其合成的相关物质可与G蛋白偶联受体结合而抑制GABA的释放,还可切割其它底物调控GABA的功能[11]。

内源性GABA水平的升高,可以抑制酵母过氧化物酶体自噬和线粒体自噬,但对其他自噬相关通路没有抑制作用。这种过氧化物酶体自噬和线粒体自噬的缺陷可以通过补充雷帕霉素来修复,这表明GABA通过mTOR激活依赖的方式抑制过氧化物酶体自噬和线粒体自噬。此外,补充GABA或者对乙醛脱氢酶5A1(aldehyde dehydrogenase 5 family member A1, ALDH5A1)进行基因消融,会导致哺乳动物细胞内形态异常线粒体的积累和有缺陷的线粒体自噬。因此GABA对线粒体自噬的抑制活性,可能与GABA紊乱相关疾病的发病机制有关[12]。

3 精氨酸代谢物与线粒体自噬

3.1 一氧化氮与线粒体自噬

一氧化氮(NO)是由一氧化氮合酶(NOS)催化精氨酸形成的一种亲脂性、高扩散性和短寿命的代谢物。NO可作为一种信号分子,在正常生理和疾病发生中都发挥着多种调控作用。比如,NO调控靶底物的S-亚硝基化,并参与翻译后的调控和信号转导[13]。过量的NO被转化为有毒的活性氮,与电子传递链组分结合,会导致线粒体功能的破坏[14]。NO可以启动PINK1-PRKN介导的线粒体自噬,即使在PINK1耗尽的细胞中,NO供体的暴露也会触发PRKN易位到线粒体上。原因可能是PRKN在Cys323位点上的S-亚硝基化增强了E3泛素连接酶的活性,促进了线粒体自噬[15, 16]。这种NO诱导的线粒体自噬可以促进PINK1缺失的多巴胺能神经元细胞从线粒体损伤中恢复。然而,其他研究报道PINK1或PRKN的S-亚硝基化,导致PRKN向线粒体的易位显著减少[17, 18]。研究表明,NO可能通过不同的机制干扰自噬小体的形成[19]。NO调控线粒体自噬似乎更为复杂,需要对其调控机制进一步深入研究。

3.2 亚精胺与线粒体自噬

亚精胺是另一种由精氨酸衍生的多胺代谢物。对于哺乳动物,可以通过膳食补充、肠道微生物合成以及以精氨酸为前体的自主合成来获取亚精胺。研究已经发现,亚精胺是一种自噬依赖的抗衰老分子[20-22]。亚精胺可刺激小鼠心肌细胞的线粒体自噬,维持线粒体功能,延缓心脏衰老[23, 24]。因此,亚精胺具有高度的心脏保护作用。暴露于亚精胺,肌肉干细胞也会重新建立线粒体自噬功能,并导致肌肉干细胞衰老的逆转[25]。

3.2.1 ATM调控亚精胺诱导的线粒体自噬。毛细血管扩张性共济失调(ataxia telangiectasia mutated, ATM)蛋白通过启动线粒体自噬,在线粒体功能障碍的反应中发挥关键作用。有研究表明,亚精胺通过诱导线粒体去极化来诱导线粒体自噬,从而引发线粒体自噬体和线粒体溶酶体的形成,从而促进PINK1在线粒体上的积累和PARKIN由胞质向受损线粒体的易位,最终导致细胞线粒体质量的降低,即发生线粒体自噬[26]。然而在ATM蛋白激酶抑制剂KU55933预处理的细胞中,PINK1的积累和PARKIN的易位受到抑制,PARKIN与自噬标志蛋白LC3或PINK1的共定位也受到显著影响。ATM蛋白激活了亚精胺诱导的线粒体自噬的级联反应,在线粒体自噬过程中发挥重要的调控作用,通过调节PINK1的积累和PARKIN的易位来控制线粒体自噬的正常进行。亚精胺诱导的线粒体自噬与ATM蛋白激酶依赖的PINK1-PRKN通路的激活有关[26]。在大多数哺乳动物细胞中,线粒体对选择性自噬识别的启动主要是由PTEN诱导的PINK1/PARKIN信号通路介导的。作为一种丝氨酸/苏氨酸激酶,PINK1选择性地稳定在有缺陷线粒体的外膜上,来诱导线粒体自噬。积累的PINK1将胞质中E3泛素连接酶PARKIN引入线粒体,随后PARKIN泛素化线粒体表面的某些蛋白质,最终导致有缺陷线粒体的分离和降解[26]。然而PINK1/PARKIN信号级联是如何启动的还有待进一步研究。

3.2.2 亚精胺通过mTOR信号通路诱导线粒体自噬。亚精胺还能提高自噬和线粒体自噬相关成分,包括BECN1、MAP1LC3、PINK1、PRKN、ULK1和ATG蛋白,并促进AMPK(腺苷酸活化蛋白激酶)的激活和mTOR的抑制[27]。AMPK/mTOR信号通路在激活自噬中发挥至关重要的作用。有关大鼠的研究表明,亚精胺可显著增加AMPK的磷酸化,降低mTOR的磷酸化,自噬体数量增加,从而促进线粒体自噬;而用AMPK抑制剂处理后,p-AMPK和p-mTOR的表达水平则与上述研究结果相反,表明线粒体自噬被抑制[28]。因此,亚精胺可通过AMPK/mTOR信号通路增强自噬通量。mTOR是线粒体自噬的关键调控因子,可磷酸化ATG13和ULK(Unc-51-like kinase),且对ULK活性具有抑制作用,阻止线粒体自噬体的形成。由此可见,亚精胺可抑制mTOR磷酸化,并激活AMPK的磷酸化,AMPK在功能水平上抑制mTOR,可以进一步促进亚精胺诱导的线粒体自噬。然而,这些研究主要以外源性亚精胺作为模型,而内源性亚精胺在线粒体自噬中的确切功能和机制尚不清楚。

4 色氨酸代谢物与线粒体自噬

4.1 褪黑素与线粒体自噬

N-乙酰基-5-甲氧基色胺(褪黑素)是一种色氨酸来源的仅在松果体中合成的多效内源性激素,主要参与日常和季节节律的最佳协调。褪黑素具有显著的线粒体保护特性,可以改善线粒体的完整性,并对多种心血管和神经退行性疾病具有预防作用。褪黑素能清除活性氧ROS毒性,抑制ROS介导的胎盘滋养细胞EIF2AK4/GCN2(真核翻译起始因子2α激酶4)-ATF4(转录激活因子4)-BNIP3依赖的线粒体自噬,缓解镉诱导的胎儿生长受限[29]。此外,褪黑素通过PPARG(过氧化物酶体增殖物激活受体γ)-FUNDC1(线粒体自噬受体)拮抗血小板的线粒体自噬,从而抑制线粒体能量的产生,抑制血小板过度活跃,减轻心肌缺血-再灌注损伤[30]。然而,PPARG信号通路如何调控FUNDC1依赖的线粒体自噬尚不清楚。褪黑素还通过抑制线粒体膜复合物(VDAC1-HK2-mPTP)拮抗心脏微血管中的线粒体自噬。褪黑素激活AMPK,促进DNM1L(dynamin 1 like)在Ser37位点的磷酸化,但在Ser616位点去磷酸化,钝化DNM1L依赖的线粒体分裂。线粒体结构的维持可恢复VDAC1-HK2的相互作用,阻止mPTP开放和PINK1-PRKN激活,最终阻断线粒体自噬,减轻缺血-再灌注诱导的心脏损伤[31]。褪黑素激活阿尔茨海默病小鼠模型的ALDH2(乙醛脱氢酶2)-CGAS(环GMP-AMP合酶)-STING1(干扰素反应刺激因子cGAMP相互作用因子1)-TBK1(TANK结合激酶1)信号转导轴,并恢复心肌细胞的线粒体自噬[32]。在非酒精性脂肪肝发病过程中,褪黑素可抑制NR4A1(nuclear receptor subfamily 4 group A member 1)的表达,从而阻断DNA激活的蛋白激酶催化亚基PRKDC和TP53的活化,导致BNIP3上调,线粒体自噬重建,改善肝细胞线粒体功能[33]。因此,褪黑素对线粒体自噬的影响是复杂的,且与环境有关。

4.2 犬尿氨酸与线粒体自噬

除了参与褪黑激素的生物合成之外,色氨酸还可以参与犬尿氨酸途径,犬尿氨酸途径是关于NAD+从头合成的唯一代谢途径。犬尿氨酸通路的紊乱是许多衰老疾病的潜在致病因素。随着衰老和线粒体功能障碍,参与这一途径的酶逐渐失活。犬尿氨酸代谢的终点产物犬尿烯酸和NAD+以及代谢分支中的几种中间代谢产物,是这些疾病的潜在干预靶点[34,35]。NAD+作为一种有效的线粒体自噬诱导因子,通过犬尿氨酸途径的从头合成对于维持线粒体完整性至关重要。通过补充色氨酸或增加代谢通量进而增加NAD+的产生,可增强秀丽隐杆线虫的线粒体功能,寿命延长和病理延迟[36],而犬尿氨酸途径相关的关键酶的功能丧失则会导致先天性器官畸形[37]。此外,犬尿氨酸途径也可以独立于代谢产物调节线粒体的完整性。KMO(犬尿氨酸3-单加氧酶)是犬尿氨酸途径中的限速酶之一,定位于线粒体外膜[38]。全基因组RNAi筛选发现KMO是线粒体形态学和PRKN依赖的线粒体自噬的调节因子。在cn/KMO缺陷果蝇中,线粒体质量增加但呼吸能力下降,支持了KMO可能调节线粒体自噬的观点。果蝇的研究表明,cn/KMO与pink1、park和Drp1/DNM1L在基因上相互作用,且不依赖于犬尿氨酸的代谢[39]。然而,其潜在的机制尚不清楚。

5 含硫氨基酸与线粒体自噬

5.1 半胱氨酸与线粒体自噬

半胱氨酸和甲硫氨酸是主要的含硫氨基酸,主要通过清除自由基和活性氧来维持细胞的氧化还原稳态[40]。因此,半胱氨酸和甲硫氨酸都能影响线粒体自噬活性并不意外。硫化氢(H2S)是一种重要的气体递质,在调节心血管功能中起着重要作用,它是由半胱氨酸经胱硫醚γ-裂解酶(CSE)和胱硫醚β-合成酶(CBS)转化而成的[41]。CSE可以利用半胱氨酸或同型半胱氨酸在其辅助因子5-磷酸吡哆醛(PLP)的存在下产生H2S。CBS不单单从半胱氨酸中产生H2S,也可以通过半胱氨酸和同型半胱氨酸结合产生H2S。H2S水平在细胞中受到严格控制,因为气体信号分子的过剩或缺乏都是有害的。线粒体在H2S分解代谢中起核心作用,参与调节H2S的稳态水平。低浓度的H2S对机体健康有益,但高浓度的H2S具有毒性,特别是通过干扰某些线粒体蛋白的氧化磷酸化或巯基化而对线粒体产生毒性[42]。已有研究表明,H2S可以通过调控线粒体自噬来保护心脏。H2S与蛋白质反应,将蛋白质上氨基酸的巯基(-SH)修饰为SSH,进而激活蛋白质发挥生物功能[43]。

外源性H2S可以抑制脑缺血损伤造成的氧化应激,改善神经元线粒体功能从而起到保护神经元的作用。有研究认为,当线粒体自噬在某些疾病的发病机制中发挥正面作用时,外源性H2S处理可上调线粒体自噬;当自噬发挥负面作用时,外源性H2S则通过下调线粒体自噬发挥保护作用。外源性H2S促进PRKN募集到线粒体上并增强PINK1-PRKN介导的线粒体自噬[44]。H2S介导的PRKN和线粒体自噬相关的去泛素化酶USP8的巯基化增强了相应的酶活性,促进了PINK1-PRKN介导的线粒体自噬[45,46]。外源性H2S可保护缺血再灌注导致的神经元线粒体功能损伤,降低神经元的线粒体自噬程度,从而对神经元进行保护,Akt/mTOR通路在其中起调控作用。在同型半胱氨酸存在的条件下,CBS、CSE和3MST(3-巯基丙酮酸硫基转移酶)的三重基因治疗的体外肾动脉培养会产生更多的H2S。

5.2 甲硫氨酸与线粒体自噬

除了半胱氨酸,甲硫氨酸是另一种含硫氨基酸。蛋白质中的甲硫氨酸残基易被氧化,因此甲硫氨酸构成了抗氧化防御机制的一种重要成份,并对细胞氧化还原稳态有重要贡献[48]。限制含甲硫氨酸的饮食可以显著延长酵母、果蝇、小鼠等各种模式生物的健康寿命。线粒体自噬是延长寿命所必需的[49]。实验发现,在甲硫氨酸限制期间,PRKN和磷酸化泛素显著增加,表明PINK1-PRKN参与了这种线粒体自噬[50]。来自甲硫氨酸代谢的S-腺苷甲硫氨酸是重要的甲基供体,它能促进PPP2/PP2A(蛋白磷酸酶2)催化亚基的甲基化,导致自噬和选择性线粒体自噬的不足[51]。S-腺苷甲硫氨酸也可以作为信号分子,通过mTOR信号通路抑制线粒体自噬。已有研究表明,线粒体自噬受营养敏感的靶标TORC1的调控。然而营养成分调控TORC1通路的具体机制还不是很不清楚。

5.3 谷胱甘肽与线粒体自噬

谷胱甘肽(GSH),γ-L-谷氨酰-L-半胱氨酰-甘氨酸三肽,是细胞内氧化还原稳态的关键决定因子,由谷氨酸半胱氨酸连接酶(GCL)连接半胱氨酸和谷氨酸生成γ-谷氨酰半胱氨酸,然后由谷胱甘肽合成酶(GSS)催化γ-谷氨酰半胱氨酸和甘氨酸生成GSH。线粒体谷胱甘肽在许多过程中发挥重要作用,包括铁硫簇的生物合成、过氧化氢解毒以及神经疾病的发生[52]。GSH通过GSH依赖的过氧化物酶参与氧化应激反应并被转化为氧化型GSH(GSSG)。虽然GSH在线粒体中不是从头合成的,但有证据表明多种线粒体相关的GSH载体蛋白可以介导细胞内GSH的线粒体转运,并决定线粒体内的氧化还原稳态[53]。在酵母中,化学或基因操作诱导的内源性GSH减少启动选择性线粒体自噬,但不启动一般性自噬,这种线粒体自噬可以通过补充细胞通透性的GSH或抗氧化剂N-乙酰-L-半胱氨酸来抑制,以使细胞GSH丰度正常化[54]。另外,GSH抑制ATG32(一种线粒体锚定蛋白,对线粒体自噬至关重要)的表达,会导致线粒体自噬缺陷[55]。酵母的线粒体自噬与磷脂生物合成途径有关,磷脂酰乙醇胺通过两个甲基转移酶(Cho2和Opi3)转化为磷脂酰胆碱。在线粒体自噬诱导条件下,缺乏甲基转移酶Opi3的细胞表现出Cho2抑制的延迟,导致谷胱甘肽水平异常增加和ATG32的抑制[55]。然而,GSH是否能调节哺乳动物细胞中的线粒体自噬,目前尚不清楚。

6 结语

氨基酸作为生物生命活动的重要营养物质之一,在提高机体的免疫力、增强机体的抗应激能力以及维持碳平衡、氮平衡等方面发挥着至关重要的作用。营养缺乏,尤其是氨基酸缺乏,会诱导细胞发生线粒体自噬,在短时间内使细胞在特殊生理状态下维持合成代谢与分解代谢的平衡。氨基酸相关代谢物作为线粒体自噬的调节物,在线粒体自噬中的作用和机制是不相同的(见表1),也是非常复杂的。不同氨基酸代谢物对不同细胞线粒体自噬的调控机制存在差异,目前大多数氨基酸代谢物调控线粒体自噬的深层次机制尚不清楚。

表1 氨基酸相关代谢物对线粒体自噬的调控

线粒体是一种高度动态的细胞器,具有不断的融合、分裂、迁移、生物发生和去除的特性。这些线粒体行为相互协调,以维持正常的线粒体质量和数量。不同的途径通过感知不同的线粒体应激来协调线粒体自噬以用于线粒体质量控制,这表明维持适当的线粒体自噬活性来维持细胞内稳态是非常必要的。以往的一些研究,旨在探索内源性代谢物在线粒体自噬中的生理相关性,主要依赖于这些代谢物或代谢前体的外源性管理。在某些情况下,这些外源性补充量可能大大超过了内源性水平。因此,内源性代谢物在线粒体自噬调控中确切的生理作用有待进一步深入研究。研究已经证明,氨基酸代谢物的优化调控可以驱动适当水平的线粒体自噬,为相关疾病的干预提供理想的营养设计。因此利用现代分子生物学方法,研究不同氨基酸代谢物对不同细胞线粒体自噬的调控机制,对进一步揭示氨基酸代谢物对生命体新陈代谢及生长发育的机制具有重要意义。