Science | 葡萄糖依赖的mTORC1信号调控新机制
撰文 | 章台柳
责编 | 兮
应对环境应激，细胞需要整合营养信息、调整代谢以更好地存活。肌肉细胞处于葡萄糖缺乏状态时，将降低合成代谢途径的活性，降解蛋白质向氧化途径提供氨基酸。但是，在不同状态下，氨基酸如何参与合成代谢或分解代谢途径，目前尚不清楚。mTORC1对营养素发生响应，是合成代谢途径的重要调控因子。葡萄糖和氨基酸能够调控GTPases激活mTORC1途径【1】。亮氨酰-tRNA合成酶I（leucyl-tRNA synthetase 1，LARS1）不仅能够利用ATP将亮氨酸与其同源tRNA共价耦连，而且也能感知细胞内的亮氨酸，促进‘失活态’RagDGTP转化为‘激活态’RagDGDP，激活mTORC1通路【2】。那么LARS1对葡萄糖依赖的mTORC1信号有何影响？
近日，来自韩国首尔国立大学的Jong Hyun Kim和Sunghoon Kim在Science杂志发表文章，Glucose-dependent control of leucine metabolism by leucyl-tRNA synthetase 1，报道了LARS1对亮氨酸代谢的葡萄糖依赖性调控作用。葡萄糖缺乏时，LARS1中亮氨酸结合位点的残基被ULK1磷酸化，其亮氨酸结合能力下降，抑制蛋白质合成，节省能量；不用于合成代谢的亮氨酸参与分解代谢，产生能量。LARS1介导亮氨酸代谢调控可能帮助细胞在葡萄糖缺乏的条件下存活。
研究人员首先发现在葡萄糖和亮氨酸都存在的条件下，LARS1的水平才能够影响mTORC1的活性，而亮氨酸单独存在时不可，说明LARS1对亮氨酸的感知需要葡萄糖的辅助。亮氨酸通过诱导LARS1与RagD结合，调控mTORC1活性。葡萄糖处理细胞，LARS1定位在溶酶体，且LARS1和RagD的相互作用增强；LARS1的水平和葡萄糖诱导的S6K磷酸化成正相关。但是丙氨酸、异亮氨酸、缬氨酸tRNA合成酶都没有类似的效果，这说明LARS1可能是mTORC1的特异性正向调控因子。此外，葡萄糖饥饿导致S6K磷酸化下调，而过表达LARS1可延长S6K磷酸化持续时间；如果敲除LARS1，则S6K磷酸化丢失更快。表明葡萄糖诱导的mTORC1活化部分通过LARS1-RagD通路。
葡萄糖能够调控LARS1的亮氨酸感知能力，那么调控的分子机制是什么？研究发现，葡萄糖的缺乏导致LARS1的丝氨酸残基被磷酸化修饰。抑制AMPK或ULK1降低LARS1的磷酸化，ULK1可以被AMPK激活，而且突变实验表明ULK1直接磷酸化LARS1，两者间相互作用具有特异性。葡萄糖的缺乏导致LARS1和ULK1间相互作用增强。LARS1的S391和S720两个位点较为保守，可能是ULK1磷酸化的位点。LARS1 S391A和S720A突变抑制LARS1的磷酸化，但S391A突变对LARS1磷酸化抑制能力更强，接近S391A/S720A双突变的磷酸化程度，表明S391的磷酸化可能是S720被磷酸化的前提。研究人员做出磷酸化LARS1（S720）的特异性抗体，检测到ULK1可以磷酸化KARS1 WT和S391E突变型（S391E可以被磷酸化）的S720磷酸化，但是S391A突变型（S391A不能磷酸化）中S720不能被磷酸化，证明了葡萄糖缺乏的条件下，ULK1首先磷酸化LARS1的S391位点，然后是S720位点。
LARS1的S720位于对ATP结合非常重要的KMSKS结构域中，突变S720导致ATP结合亲和力下降，而且亮氨酸结合能力下降；突变S391不影响ATP和亮氨酸的结合。但ULK1介导的LARS1磷酸化导致ATP和亮氨酸结合减少，抑制亮氨酸与tRNA的共价耦连。同时，LARS1的磷酸化抑制LARS1转移到溶酶体，与RagD的相互作用降低，S6K磷酸化降低，mTORC1通路活性降低。LARS1磷酸化导致细胞变小、自噬增加。
氨基酸不仅能用于合成蛋白质，而且可以作为产生能量的碳源。葡萄糖抑制亮氨酸的分解代谢【3】；葡萄糖缺乏时，亮氨酸的分解代谢是产生ATP的重要来源。同位素实验表明，LARS1磷酸化导致亮氨酸的C更多地参与到TCA中间产物；分析TCA中间产物柠檬酸和苹果酸的来源时，亮氨酸的贡献位居第二。LARS1的磷酸化导致ATP浓度增加，PARP切割、LDH等细胞毒性指标下降。
总的来说，研究报道了葡萄糖存在条件下，LARS1感知亮氨酸并促进亮氨酸与tRNA共价耦连，参与翻译过程；同时激活mTORC1通路。在葡萄糖缺乏的条件下，ULK1磷酸化LARS1，使其失去亮氨酸结合能力，下调LARS1对翻译过程和mTORC1的调控，抑制蛋白合成并激活自噬过程。揭示出磷酸化的LARS1能够节约ATP的消耗，同时促进亮氨酸的分解代谢产生ATP，以帮助细胞对缺糖产生耐受。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/25/science.aau2753
制版人：小娴子
参考文献