陰陽相濟的中庸之道——AMPK和mTORC1營養(yǎng)感知與細胞生長調(diào)節(jié)
細胞無時無刻不在對營養(yǎng)物質(zhì)的可獲得性作出反應(yīng)并維持物質(zhì)和能量的平衡，這是生物學的基本問題之一。AMPK和mTORC1是感知細胞內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)水平、調(diào)節(jié)代謝平衡，以及調(diào)控細胞生長的兩大中樞激酶復(fù)合體。（注：mTOR有兩種復(fù)合體，即mTORC1和mTORC2，本文著重討論在營養(yǎng)感知中起重要作用的mTORC1）。他們分別通過調(diào)節(jié)一系列下游途徑發(fā)揮其功能：AMPK感知營養(yǎng)和能量水平較低的狀態(tài)，并在此條件下被激活，抑制合成代謝途徑以減少ATP的消耗，促進分解代謝途徑以增加ATP的產(chǎn)出，并抑制細胞的生長以最終保證能量穩(wěn)態(tài)——可視為“陰”的一面；mTORC1則在營養(yǎng)物質(zhì)豐裕的情況下被激活，通過促進合成代謝的方式加快細胞的生長，被視為“陽”（圖1）。正如道學之所言，陰陽之間相濟相克，AMPK和mTORC1之間也有著復(fù)雜而精細的相互制約的調(diào)控機制。今年3月4日，Cell Metabolism雜志在線發(fā)表了由AMPK領(lǐng)域的權(quán)威Grahame Hardie教授和TOR的領(lǐng)域權(quán)威Michael Hall教授，以及林圣彩教授等人撰寫的長文綜述：AMPK and TOR: the Yin and Yang of Cellular Nutrient Sensing and Growth Control[1]，對上述幾個方面，特別是經(jīng)典的和近年來新發(fā)現(xiàn)的對這兩大分子如何感知物質(zhì)、能量水平，以及如何相互調(diào)節(jié)的成果進行了詳盡的介紹，從而為我們?nèi)笆降卣宫F(xiàn)了兩大分子“陰陽相濟”地調(diào)節(jié)細胞生長的分子機制。
圖1 AMPK和mTOR分別代表了調(diào)節(jié)代謝穩(wěn)態(tài)的“陰”和“陽”兩面
作者們首先從AMPK的調(diào)控入手，系統(tǒng)介紹了AMPK在不同物種中的保守性，并結(jié)合結(jié)構(gòu)生物學的證據(jù)，詳細闡述了其激活的分子機制。AMPK的α亞基含有激酶活力，其第172位蘇氨酸（T172）的磷酸化修飾是激活的關(guān)鍵。這一磷酸化是由上游激酶LKB1所介導(dǎo)的。除了上游激酶，AMPK的另一個重要的調(diào)節(jié)分子是代表低能量的5’-AMP——這也是AMPK得名的緣由，AMP是兩分子ADP在腺苷酸激酶作用下形成的產(chǎn)物，該反應(yīng)還產(chǎn)生一分子ATP，因此在能量水平即ATP水平下降時，AMP水平上升。AMP能夠結(jié)合AMPK的γ亞基，引起AMPK全酶，特別是α亞基上變構(gòu)，從而促進T172位點的暴露使之更容易被LKB1所磷酸化。同時，AMP還能夠保護T172磷酸化不被磷酸酶所去除，以及直接通過別構(gòu)激活的方式數(shù)倍地提高AMPK的活力。上述的由LKB1和AMP所代表的“低能量”狀態(tài)所介導(dǎo)的AMPK的激活過程被稱為“經(jīng)典（canonical）途徑”。除外，AMPK還能被一系列非經(jīng)典（non-canonical）途徑所激活。例如，另一個上游激酶CaMKK2可以在鈣離子濃度升高時直接磷酸化T172；β亞基可以結(jié)合如水楊酸這樣的天然產(chǎn)物或者人工合成的激動劑引起AMPK的別構(gòu)激活。
近年來發(fā)現(xiàn)的和葡萄糖感知有關(guān)的AMPK激活的分子機制則大大拓展了長期被認為是能量感知器的AMPK的“非經(jīng)典的”生理意義，甚至這一葡萄糖感知被譽為AMPK的始祖功能（ancestral role）。為此作者們進行了重點介紹。葡萄糖是機體內(nèi)最為“平常的”營養(yǎng)物，作為細胞最基本的物質(zhì)和能量來源，其重要性不言而喻。然而，葡萄糖水平的下降也是十分常見，例如餐前、激烈運動、正在辟谷的人群中血液中葡萄糖的水平是降低的。因此，感應(yīng)葡萄糖水平的下降并對機體的代謝加以調(diào)節(jié)就成為了AMPK功能的重點所在。研究表明，葡萄糖饑餓可以直接被感知并引起AMPK的激活，這一過程不僅需要LKB1，還需要構(gòu)架蛋白AXIN的參與，且該過程發(fā)生在溶酶體表面：葡萄糖饑餓能夠通過其代謝產(chǎn)物果糖1,6-二磷酸水平的下降，被結(jié)合在溶酶體上的v-ATPase上的醛縮酶所感應(yīng)；一旦該醛縮酶沒有FBP可結(jié)合時，醛縮酶便能抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上TRPV鈣通道，使得低糖信號轉(zhuǎn)化成低鈣信號，此時TRPV又能同時與鄰近的溶酶體上的V-ATPase結(jié)合，使之產(chǎn)生構(gòu)象變化，并導(dǎo)致了同樣定位在溶酶體上的Ragulator復(fù)合體之間發(fā)生變構(gòu)。此時，架構(gòu)蛋白AXIN和與之結(jié)合的AMPK上游激酶LKB1一同遷移到溶酶體表面并和v-ATPase-Ragulator復(fù)合體相互作用并激活溶酶體膜上的AMPK，這一過程被稱為“AMPK激活的溶酶體途徑”（圖2——關(guān)于經(jīng)典途徑和非經(jīng)典途徑的詳細描述可參考引文[2]）。有意思的是，溶酶體途徑和經(jīng)典途徑相互獨立，卻又相互補充：葡萄糖水平下降在引起AMP水平升高之前就能激活AMPK，即可提前被它的感受器感知從而關(guān)閉合成代謝，啟動分解代謝，保證生命活動的有序進行；而更加嚴重的營養(yǎng)物質(zhì)缺乏引起了AMP水平升高時，后者進一步結(jié)合AMPK并進一步提高AMPK的活力，引起更廣泛的底物的調(diào)控，使機體能夠更充分地應(yīng)對此時的應(yīng)激壓力[3]。同時必須指出的是，盡管葡萄糖饑餓引發(fā)AMPK激活的過程不依賴AMP水平的升高，但γ亞基上的第四個AMP結(jié)合位點對細胞內(nèi)本底水平的AMP的結(jié)合仍然該過程所需要的，故而AMP在這個意義上可被理解為一種“輔因子（co-factor）”[3]。
圖2經(jīng)典的和非經(jīng)典的AMPK激活的途徑[1]
限于篇幅，作者們簡要地闡述了AMPK如何通過磷酸化各式底物促進葡萄糖轉(zhuǎn)運和分解代謝、促進脂肪酸氧化、抑制蛋白質(zhì)合成、抑制脂肪酸合成、促進線粒體氧化磷酸化作用和促進自噬作用等方式，維持細胞的物質(zhì)和能量平衡（關(guān)于AMPK的底物和功能的詳細介紹，可參考文獻[4]）。而這其中，mTORC1是一個重要的AMPK底物和調(diào)控節(jié)點。
和AMPK類似，mTORC1也是一個從酵母到哺乳動物都保守存在的復(fù)合體，它的功能是通過促進蛋白質(zhì)的翻譯以及合成、抑制自噬作用、促進脂肪酸和核酸的合成等方式，促進細胞的生長和增殖。因此，mTORC1激活需要在細胞同時滿足生長因子、葡萄糖、氨基酸、氧氣充足和能量水平高的情況下才能被激活，任意一個條件不滿足，mTORC1就會被抑制。并且，mTORC1是一個在溶酶體膜表面被激活的蛋白質(zhì)激酶復(fù)合體，溶酶體膜表面錨定有mTORC1激活所需要的幾個重要分子，包括可被TSC2抑制的RHEB和前述的v-ATPase、Ragulator等。關(guān)于mTORC1調(diào)控的詳細介紹，可參考文獻[5]。從mTORC1的調(diào)控模式上看，分解代謝調(diào)控者AMPK一旦被激活，必然就會抑制mTORC1的活性。研究表明，AMPK至少可以通過兩條相互平行的途徑來抑制mTORC1：其一是通過磷酸化TSC2以直接抑制RHEB和mTORC1的活力；其二是通過直接磷酸化mTORC1復(fù)合體上的RAPTOR，造成復(fù)合體結(jié)構(gòu)上的變化從而抑制該復(fù)合體的活力。這種進化上的“雙保險”很可能確保了mTORC1可以在營養(yǎng)物質(zhì)或者能量水平下降之時被有效地抑制（圖3）。
圖3mTOR的活力受到嚴格的調(diào)控[1]
盡管它們是激活的條件恰好是相反的，AMPK和mTORC1這兩種激酶復(fù)合體卻能使用相同的分子v-ATPase和Ragulator，在溶酶體表面被激活，這種機制進一步地提供了對兩種處在“對立面”上的感知器的精確調(diào)控。的確，正如林圣彩和張宸崧教授在今年二月在Cell Metabolism發(fā)表的Preview中列舉的[6]，葡萄糖饑餓本身可以在激活AMPK的同時通過另一些平行的途徑抑制mTORC1的活力，從而通過多重的機制加以保證mTORC1被精確的調(diào)節(jié)：AXIN遷移到溶酶體膜上時，在激活AMPK的同時也能夠改變Ragulator-RAG復(fù)合體，加速mTORC1從溶酶體上的解離以抑制其活力。新近還發(fā)現(xiàn)，AMPK能夠通過激活下游的ULK1分子，再進一步磷酸化LARS1這一亮氨酰-tRNA合成酶，再通過調(diào)節(jié)RAG而促進mTORC1的解離（圖4）。
圖4葡萄糖饑餓對mTORC1以及翻譯過程的多重調(diào)控節(jié)點[6]
除此之外，新近的研究還發(fā)現(xiàn)，mTORC1也能夠在激活的狀態(tài)下抑制AMPK的活力，亦即“陽”對“陰”的調(diào)節(jié)[7]。不過需要指出的是，這種調(diào)節(jié)mTORC1是對在營養(yǎng)充足條件下本底活力已經(jīng)很低的AMPK的進一步抑制，可視為是一種精細的調(diào)節(jié)。
總之，AMPK和mTORC1分別感應(yīng)不同的營養(yǎng)物質(zhì)狀態(tài)，調(diào)節(jié)相反的代謝過程，行使相對應(yīng)的生物學功能，分別代表了“陰”和“陽”的兩面，而他們之間又存在著千絲萬縷的聯(lián)系。正所謂“致廣大而盡精微，極高明而道中庸”，他們陰陽相濟，交合通達，精密而準確地保證細胞內(nèi)的代謝穩(wěn)態(tài)，共同維持了細胞乃至機體的健康。更有趣的是，從促進長壽意義上說，AMPK則是“陽”，也應(yīng)驗了老祖宗的陰中有陽，陽中有陰了吧？
文章鏈接：https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(20)30058-9
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參考文獻
1.Gonzalez et al., AMPK and TOR: the Yin and Yang of cellular nutrient sensing and growth control.CellMetab. March 4, 2020
2.Lin SC, Hardie DG. AMPK: Sensing Glucose as well as Cellular Energy Status.CellMetab. 2018;27(2):299–313.
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