責編 | 酶美
蛋白質激酶AMPK和mTOR是細胞內代謝調控的關鍵分子【1】。mTORC1是mTOR形成的複合體之一（另一個是mTORC2），在營養物質充分時——包括在富含生長因子、胺基酸和葡萄糖等條件下（如飽食後），它能夠被激活，進而促進一系列合成代謝相關途徑的活化，使細胞開始合成蛋白質、脂質和核苷酸等「building blocks」，並可抑制自噬作用，促進營養物質的儲存【2】。mTORC1的這一功能對於細胞增殖也是必需的：不論是在機體發育過程中，還是在腫瘤中，都常能觀察到mTORC1的高活力，它也因此成為抗腫瘤藥物篩選的重要靶點之一【3】。
正是因為mTORC1的重要性，關於它如何被上述營養物質所調控的研究也就成為了相關領域的前沿問題。目前已經發現，mTORC1是在溶酶體上被激活的。而兩類定位在溶酶體表面的小G蛋白Rheb和RAGs的活化，是mTORC1激活的關鍵【4，5】。目前的研究發現，生長因子能夠通過PI3K-AKT-TSC1/2途徑，通過活化Rheb，後者進一步結合mTORC1來促進其激活【6】。而不同的胺基酸既可以通過各自的受體，活化RAGs，促進mTORC1向溶酶體的遷移來激活mTORC1【7】，也可以直接通過相對應的氨醯tRNA合成酶，對 RAGs進行相應的修飾（如Leu-tRNA可以通過LARS，亮氨醯化修飾RAGA），從而激活mTORC1（詳見BioArt報導：Science | 葡萄糖依賴的mTORC1信號調控新機制）【8】。此外，在胺基酸水平上升時，RAG抑制分子如GATOR1能被降解，從而引起RAGs的激活【9】。最近的研究還表明，來自於胞外的蛋白質可以被降解成相應的胺基酸，再通過GATOR1、RAGs激活mTORC1【10】。相比較之下，葡萄糖對mTORC1調節的研究則遠不如前兩者充分。普遍的觀點認為，葡萄糖能通過AMPK調節mTORC1（如葡萄糖水平下降，則激活AMPK來抑制mTORC1）【11】，但後續的研究表明即使沒有AMPK，葡萄糖仍能調控mTORC1，說明了葡萄糖自身存在著調節mTORC1的獨立機制。2009年，韓國浦項科技大學的S.H.Ryu課題組率先報導了糖酵解途徑的代謝酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶（GAPDH）能夠感受葡萄糖的代謝產物甘油醛-3-磷酸（G3P）的水平，並在G3P水平上升時，離開Rheb，從而解除其對Rheb的抑制而激活mTORC1【12】。後續的研究又陸續報導了PFK1、HK2等糖酵解代謝酶可以直接結合mTORC1調節其活力【13，14】。2012年，MIT的Sabatini課題組報導了在持續性激活的RAGA敲入小鼠中，mTORC1維持高活力並不受葡萄糖水平的調控，證明了RAGs也是葡萄糖調控mTORC1所必需，甚至是佔有主導地位的【15】。但長久以來，葡萄糖如何被感受並經由RAGs調節mTORC1一直未知。
最近，廈門大學林聖彩課題組發表在Cell Research上的文章正是報導了這一過程。他們課題組先前發現了飢餓時，葡萄糖能夠通過其代謝產物1,6-二磷酸果糖（FBP）水平的下降，再通過FBP空置的醛縮酶作為感受器，抑制陽離子（鈣）通道TRPV，進而抑制v-ATPase和Ragulator，從而激活AMPK的過程【17-19】（詳見BioArt公眾號： 林聖彩合輯）。
鑑於在胺基酸調控mTORC1的過程中，v-ATPase也能夠通過調節Ragulator-RAGs進而調節mTORC1，他們於是嘗試探究葡萄糖是否也通過醛縮酶，被感知並介導mTORC1的調節。然而由於醛縮酶本身就是維持v-ATPase活力所必需【20-21】，他們發現敲低醛縮酶直接就引起了mTORC1的抑制，這為鑑定醛縮酶的葡萄糖感知對mTORC1活力調節作用帶來了很大的麻煩。為了解決這個問題，他們採用了醛縮酶的兩個突變體：D34S和K230A——前者能夠結合FBP但不能催化，代表了高糖情況下有FBP結合的醛縮酶；後者則不能結合FBP，代表了低糖時的醛縮酶——來模擬高糖和低糖下醛縮酶的狀態【22-23】。他們還進一步通過蛋白質譜的方式，直接鑑定了兩個突變體上不同水平的「FBP化」修飾，從而確定了兩個突變體的準確性。用這兩個突變體，林聖彩課題組成功驗證了醛縮酶能夠通過結合FBP從而調節mTORC1的結論，也證明了醛縮酶就是Ragulator-RAGs這一途徑裡的葡萄糖感受器。從這裡我們可以看到，要準確地鑑定一個感受器並不是一件容易的事情，特別是很多感受器本身可能具有除感知代謝物之外的其它功能，因此「簡單粗暴」地敲除一個蛋白並不足以證明該問題，最好的辦法還是嘗試去還原其結合/不結合代謝物的本真狀態。
在本文的其它部分，他們還驗證了TRPV作為醛縮酶的下遊，承接了醛縮酶傳遞的信號調節mTORC1的結論，並梳理了該條通路獨立於AMPK行使葡萄糖感知調節mTORC1的關係，又一次指出葡萄糖水平的下降本身的作用——此時是能通過醛縮酶直接抑制mTORC1。於是，醛縮酶在此行使了承接葡萄糖水平，同時調控AMPK和mTORC1兩大下遊的「rheostat」的作用，成為了維持機體健康長壽的「晴雨表」。
除了揭示了葡萄糖通過RAGs調節mTORC1的機制以外，這篇文章又一次「加碼」了本就已經十分複雜的mTORC1調節領域，也給我們帶來了很多新的思考:
首先，除了AMPK，醛縮酶並不是第一個被報導的，能夠響應葡萄糖調節mTORC1的分子：如上所述，Rheb能夠被GAPDH——通過其結合/不結合G3P的形式所調節【12】，因此這些已知的葡萄糖感受器如何相互協調就是未來的一個主要的研究方向了。在本文中，作者們猜測，Rheb和RAGs可能在發揮了互補的作用，比如大部分的細胞中，RAGs對mTORC1的調節是主導的，但已有證據表明，敲除RAGs，Rheb仍能發揮調控mTORC1的作用【24-25】，因此葡萄糖對mTORC1的調控是多層次的（圖1）。有意思的是，還有研究表明，胺基酸和生長因子對mTORC1的調節也不是嚴格地分別經由RAG和Rheb進行的：胺基酸可以通過Rheb【26-28】，生長因子也可以調節RAGs【29】，因此機體很可能通過這種「條條大路通羅馬」的方式保證了一個重要過程的準確調節。
其次，作者們還意外地發現，高糖狀態下的醛縮酶除了能被「FBP化」以外，還有相當的比例能夠被它的另一個底物DHAP所結合，這說明了一個感受器很可能不止感知一種代謝產物。有意思的是，前不久Sabatini課題組發表在Nature Metabolism上的文章也指出，DHAP是調節mTORC1的一個重要的代謝物（詳見BioArt報導：Nat Metab | Sabtini團隊解析葡萄糖匱乏調控mTORC1活性的機制）【30】，儘管他們並未證明哪一個蛋白是DHAP的感受器，而且實驗體系也有一定問題：敲除醛縮酶後的mTORC1已被「組成型」地失活，因而他們只觀察到DHAP對mTORC1活力的「微小」變化，更不必說這一變化可能來源於GAPDH對Rheb的互補調節【12】。但僅就目前看來，醛縮酶很可能具有同時感受DHAP和FBP來調節mTORC1的能力。
順便一提，Sabatini小組也曾嘗試去研究葡萄糖是否通過已確定在胺基酸感知中起重要作用的GATOR1來感知葡萄糖，以達到調節mTORC1的活力。他們發現敲除GATOR1之後，葡萄糖飢餓不再抑制mTORC1。但該實驗仍無法證明葡萄糖確實通過GATOR1調節mTORC1，因為敲除了GATOR1，mTORC1呈現組成型激活，不僅是葡萄糖，包括胺基酸在內的任何營養物質都不再能調節mTORC1了【31】。故此，葡萄糖和胺基酸的信號是否能、以及如何被協調從而調節mTORC1，還等待著我們繼續去探索。
原文連結：
https://doi.org/10.1038/s41422-020-00456-8
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