颠覆性发现：林圣彩组Nature破解葡萄糖感受的新机制【专家特评】丨BioArt特别推荐
BioArt按：AMPK是细胞内几乎是最重要的能量感受器。长久以来，学术界普遍认为AMPK的激活仅仅依赖于细胞内AMP浓度的变化（AMPK英文全称AMP-activated protein kinase，即受AMP激活的蛋白激酶），而且目前已经成为一种经典途径被人们广泛接受。然而在生命科学领域，所谓的“经典”经常性的会被新的研究发现所打破。7月19日，厦门大学林圣彩教授团队与英国邓迪大学Grahame Hardie教授团队合作在Nature杂志上发表了题为“Fructose-1,6-bisphosphate and aldolase mediate glucose sensing by AMPK”的研究论文，颠覆性的发现了一种独立于经典AMP途径的依赖于糖酵解通路的代谢酶aldolase（醛缩酶）的非催化功能的AMPK激活机制。这一发现打破了“AMPK的激活仅仅依赖于细胞内AMP浓度的变化”这一学术界长久以来的共识，赋予了AMPK这一经典蛋白新的含义，被同行学者誉为“里程碑式的工作”、“建立了细胞能量代谢的新范式”，这也是我国科学家近年来在本土做出的少有的重大原创性发现。值得一提的是，Nature还配发了相应的评论文章“Metabolism: Energy sensing through a sugar diphosphate”。鉴于该创新成果的重要意义，BioArt特别邀请到了复旦大学赵世民教授和清华大学俞立教授做点评，以飨读者！
论文解读：
葡萄糖对大多数细胞而言是主要的能源物质，它通过糖酵解或者氧化途径产生细胞内的通用能量“货币”ATP。人体在工作活运动中会消耗大量的ATP，此时ATP转变为ADP，当能量进一步缺乏时进而转变为AMP。经典理论认为，当细胞能量不足时，体内的ATP含量减少而ADP活AMP含量上升，作为真核细胞中高度保守的、最重要的能量感受器，AMPK可以感知细胞内AMP/ATP和（或）ADP/ATP比例变化而被激活。AMPK在调节细胞生长、增殖、维持机体能量平衡以及细胞代谢过程中起着重要作用（下图）【1】。
AMPK参与调控的一系列代谢过程。图片引自：Hardie, D. G., & Alessi, D. R. (2013). LKB1 and AMPK and the cancer-metabolism link-ten years after. BMC biology, 11(1), 36.
遗传分析表明，不仅仅在哺乳动物之中，AMPK作为代谢能量感受器在包括拟南芥、酵母、线虫、果蝇和小立碗藓等模式生物中也高度保守【2】。AMPK通过调控众多的下游分子来实现其对能量代谢的调控。激活后的AMPK可以开启分解代谢途径，增加能量的产生；关闭合成代谢途径，减少能量的消耗。换句话说，也就是在葡萄糖水平下降时，被激活的AMPK能够迅速启动脂肪、蛋白质的分解代谢，关闭与它们的合成代谢，从而起到维持机体的能量和物质代谢的平衡，弥补机体因葡萄糖不足引起的胁迫压力的重要作用。AMPK在代谢中的作用如此之大，因此对AMPK的精细调控就显得极为重要。
那么，机体如何感受葡萄糖水平下降，并“传递”给AMPK使其激活呢？这个问题还远没有弄清楚。目前的理论把葡萄糖看作一种“能量信号”，它的下降将引起细胞内的能量分子——ATP含量的下降，进而引起另一种代表低能量状态的分子——AMP水平的上升，后者作为AMPK的激活剂从而直接激活AMPK。遗憾的是，目前并没有一种生理状态能够对应上这种理论。
2013年林圣彩教授团队发表在Cell Metabolism杂志上的研究论文阐明了Axin通过调控AMPK磷酸化水平而调节其活性从而实现感知细胞内部能量水平的机制【3】。后续研究又找到了AMPK激活的“据点”，即AMPK是在溶酶体膜上进行的，并且这个“据点”竟是促进分解代谢和合成代谢的共同使用的蛋白复合体，从而揭示了分解代谢和合成代谢的切换机关，这这一重要成果发表在2014年Cell Metabolism杂志上【4】。2016年林圣彩教授团队继续在Cell Metabolism杂志上发表了这一系列研究的第三篇论文，指出metformin（二甲双胍）降血糖作用是通过上述的溶酶体上的“据点”实现的【5】。
在林圣彩团队与Grahame Hardie团队合作的这项研究中，研究人员发现了生理状态下机体感受葡萄糖水平的机制。研究发现，无论在不含葡萄糖的细胞培养条件下，还是在饥饿的低血糖的动物体内，都不能观测到AMP水平的上升，这充分说明了机体有一套不为人知的、独立于AMP的感应葡萄糖水平的机制。在进一步的研究中他们揭示了这一完整过程：葡萄糖水平下降将引起的葡萄糖代谢物——果糖1,6-二磷酸（fructose-1,6-bisphosphate，FBP）水平的下降，该过程进一步地被糖酵解通路上的代谢酶——醛缩酶（aldolase）感应，后者将启动林圣彩教授课题组先前发现的激活AMPK的溶酶体途径进而介导AMPK的激活。当aldolase不与FBP结合时，会促进上述溶酶体途径中包含v-ATPase, ragulator, axin, liver kinase B1 (LKB1) 和AMPK的蛋白复合体的形成（下图）。
Aldolase通过感应葡萄糖水平而激活AMPK的作用模式图
进一步研究表明，敲除aldolase会使AMPK在葡萄糖充足的细胞中激活，而能持续结合FBP的aldolase催化活性缺失的突变体则会抑制AMPK激活。重要的是，他们发现，在一些细胞中，葡萄糖缺失尚未改变AMP水平时，AMPK就能被激活，而且不依赖于其AMP结合位点。该过程完全不涉及AMP水平，或者说能量水平的变化，是一条全新的、完全建立在实际的生理情况上的通路。
本项研究阐明了糖酵解途径的代谢酶Aldolase通过感应葡萄糖水平而激活AMPK这一独立于经典AMP相关的AMPK活化的重要机制，为代谢性疾病的诊疗提供了新的策略。
据悉，该论文的主要工作由厦门大学生命科学学院的博士后张宸崧，博士生宗岳、李梦琪和英国邓迪大学的博士后Simon Hawley等共同承担，并与英国邓迪大学、大连化物所、中科院大学、中科院上海生命科学研究所等单位合作完成，通讯作者为林圣彩教授和Grahame Hardie教授。该研究工作获得了Wellcome Trust研究员奖、英国癌症研究项目、中国国家自然科学基金委和中国国家重点研发项目基金的资助。
后记：在BioArt与林圣彩教授沟通的过程中，林教授毫无掩饰的表示出了对这项重大成果发现的兴奋与激动。林圣彩教授把葡萄糖水平总结为一种“状态信号”，以区别于传统的“能量信号”。他介绍，葡萄糖的存在本身就是一种“状态”，可以引起一系列生理生化反应。葡萄糖水平对机体代谢的调节不需要“绕道”能量水平，而是可以直接地被感应，进而行使作用。对于生物体来说，能量水平的稳定是至关重要的，ATP水平的下降对机体的伤害是巨大的，因此等到能量水平下降再作出应激反应很可能为时已晚。“状态信号”的存在使得机体能够“前瞻性”地应对复杂的外界条件和各种应激压力，保证生命活动的有序进行。林圣彩教授最后总结说：“生物体是进化的完美产物，可以说是神奇甚至神圣的，它拥有许多超乎我们想象的绝妙机制来克服各种困难。今后，我们将以更宽阔的眼界和更全面的知识去审视，去研究能量、物质代谢和生物体应激反应之间的统筹、互作与调节的复杂而又深刻的关系。”
林圣彩教授研究团队长期致力于研究细胞生长和代谢稳态相关的信号转导通路及分子机制，近年来以通讯作者在Science、Cell Metabolism、Molecular Cell等国际重要期刊上发表多篇论文。他领导的实验室揭示了介导生长因子缺失诱导自噬的一条多接点的信号转导通路，并因此荣获“2012年度中国科学十大进展”；在葡萄糖和细胞能量代谢调控领域做出了一系列重大突破，被国际同行誉为“范式转换”，对认知细胞如何将能量缺乏的信号传递至感受子激酶AMPK并使其激活，对了解包括肥胖症、糖尿病在内的多种代谢型疾病，以及对二甲酸胍这一神奇药物作用机制的阐明有着重大的意义。由于在AMPK领域的开创性工作，他受Methods in Enzymology邀请撰写了“Methods to Study Lysosomal AMPK Activation”一章。2016年应邀作为大会共主席在厦门举办了第九届AMPK国际研讨会（下图）。
第九届AMPK国际研讨会与会嘉宾合影
专家点评：
赵世民（复旦大学生命科学学院教授，生物医学研究院高级PI，长江学者）
Comments：自上世纪90年代苏格兰Dundee大学的 Grahame Hardie教授在发现AMPK（AMP-activated protein kinase）在细胞能量感知的重要功能以来，AMPK和著名的mTOR （mammalian target of rapamycin）激酶一道，被认为是细胞内最重要的能量与营养物感应器。AMPK感知能量不足并调控下游包括葡萄糖转运、细胞周期、细胞凋亡和糖原代谢等重要基因，而mTOR主要感知代谢物丰度并调控几乎所有的细胞合成代谢过程。
由于被命名为“AMP激活的蛋白激酶”，AMPK活性一直以来都被认为只被代表低能量的AMP调节，晶体结构研究也在AMPK复合体的γ亚基中发现了AMP的结合位点并提出了AMP调控AMPK活性的结构解释。林圣彩教授团队首先揭示了AMPK在细胞内的激活机制，即AMPK是在溶酶体表面被激活的。然而，仍值得思考的问题包括：1）作为细胞低能量状态的总感应器，AMPK活性是否只受到能量相关分子AMP或ADP的调控？2）AMPK是否可以如mTOR一样，既感知能量状态又感知代谢物（营养）状态？林圣彩教授团队在这方面的研究最近有了重大进展。他们发现，糖酵解途径的中间代谢产物果糖1，6二磷酸（FBP）也是AMPK活性的调节因子，即当葡萄糖水平下降时，不被其底物FBP结合的aldolase会诱发溶酶体途径中包含v-ATPase, ragulator, axin, liver kinase B1 (LKB1) 和AMPK的蛋白复合体的形成，从而激活AMPK（Nature, 2017）。在细胞内，FBP的缺失、下降并不依赖于AMP激活AMPK。这一里程碑式发现第一次提出了AMPK有独立于AMP或ADP之外的调控机制。更重要的是，由于FBP是一个糖酵解中间代谢物，可以表征细胞代谢物（营养）状态，因此， AMPK除了是一个能量感应器外，也是一个代谢物（营养）丰度感应器，提示了AMPK还起了感知细胞代谢状态的使者。此外，林圣彩团队前期发现的AMPK的溶酶体激活通路涉及v-ATPase和 ragulator，它们同时也是mTOR激活的组成部分，该团队也揭示了葡萄糖饥饿引起主导的分解代谢调控的AMPK的激活的同时主导合成代谢mTOR被抑制的分子机制，和二甲双胍具有抑制癌症发生的理论基础（Cell Metabolism， 2013, 2014，2016），系列原创研究丰富了人们对代谢感知的认识。
由于激活AMPK具有广泛的疾病预防、治疗作用，这些关于AMPK活性调控颠覆性的发现无疑隐含有巨大的生物医药转化前景。
俞立（清华大学生命科学学院教授，国家“杰青”，长江学者）
Commenst：细胞能量代谢的核心问题是细胞的能量状态是如何被控制能量代谢的关键激酶AMPK所感知的。长期以来，AMPK的活性被认为是由细胞内AMP，ADP水平所直接调控，在能量匮乏的情况下，细胞内AMP，ADP浓度升高，从而激活AMPK。林圣彩研究组最近的工作从根本上挑战了这一细胞能量代谢领域的核心理论。他们发现葡萄糖在糖酵解途径中的代谢中间产物果糖1，6-二磷酸才是真正的AMPK激活的传感分子，而果糖1，6-二磷酸酶，即醛缩酶，是AMPK激活的传感元件，细胞通过这一传感系统以独立于AMP，ADP的方式监测并调节细胞内能量水平。有意思的是，由于果糖1，6-二磷酸是糖酵解途径的中间产物，胞内果糖1，6-二磷酸的浓度直接取决于胞内葡萄糖的浓度，因此，葡萄糖的浓度变化通过这一传感系统直接调控AMPK的激活，并直接抑制了能促进合成代谢的mTORC1酶的活力。从这个意义上来说，葡萄糖不但是能量的载体，同时也是调控AMPK和mTORC1活性及其所调控的分解和合成代谢的信号。这项工作建立了细胞能量代谢的新范式。
参考文献：
1、Hardie, D. G., Ross, F. A., and Hawley, S. A. (2012) AMPK: a nutrient and energy sensor that maintains energy homeostasis. Nat Rev Mol Cell Biol. 13, 251–262
2、Hardie, D. G. (2014) AMP-Activated Protein Kinase: Maintaining Energy Homeostasis at the Cellular and Whole-Body Levels. Annu Rev Nutr. 34, 31–55
3、Zhang YL et al. AMP as a low energy charge signal autonomously initiates assembly of AXIN-AMPK-LKB1 complex for AMPK activation. Cell Metabolism 18, 546–555, 2013
4、 Zhang CS et al. The Lysosomal v-ATPase-Ragulator Complex is a common activator for AMPK and mTORC1, acting as a switch between catabolism and anabolism. Cell Metabolism 20, 526-40, 2014
5、Zhang et al. Metformin activates AMPK through the lysosomal pathway. Cell Metabolism 24, 521-2, 2016
林圣彩，长江学者特聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”领军人才，中国生物化学与分子生物学学会副理事长。1984年毕业于厦门大学生物系，获学士学位；1985年入选CUSBEA项目赴美国留学；1991年在美国德克萨斯大学西南医学中心获得生物化学博士学位；1991-1995年在美国霍华德•休斯医学研究所从事博士后工作；1995-2001年在新加坡分子和细胞生物学研究所任高级研究员；2001-2006年，任香港科技大学助理教授、副教授（获终生职位）；2001年起兼任厦门大学教授、长江学者，2003.12-2017.6 任生命科学学院院长，2006年7月起全职回到厦门大学。
林圣彩教授长期致力于研究细胞生长和代谢稳态相关的信号转导通路及分子机制，迄今为止在国际主流刊物上发表SCI论文90余篇，其中以通讯作者在Nature、Science、 Nature Cell Biology、Cell Metabolism、Molecular Cell和Developmental Cell等杂志上上发表了一系列重要发现。他领导的课题组揭示了生长因子缺乏诱导的细胞启动自噬的过程——GSK3-TIP60-ULK1通路，完整地解释了细胞响应生长因子的缺乏而启动自噬信号通路从而维持代谢稳态的分子机制（Science，2012），并因此入选“2012年度中国科学十大进展”； 以及在自噬中发挥起始作用的ULK1激酶独立于自噬程序调控葡萄糖流量以维持细胞健康的分子机制（Molecular Cell, 2016）；揭示了在代谢调控中起核心作用的AMPK激酶在细胞内的激活机制，同时破解了合成代谢与分解代谢转换的机制，被国际AMPK领域权威誉为该领域认知的“范式转换”（Cell Metabolism，2013，2014）；并解决了细胞感受葡萄糖的分子机制的重大科学问题（Nature, 2017）。此外，阐明了二甲酸胍这一神奇药物的激活AMPK的作用机制，增进了我们对包括肥胖症、糖尿病在内的多种代谢型疾病的了解（Cell Metabolism，2016）；其林圣彩领导的团队已经成为AMPK这一领域的全球领军团队。
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