林圣彩教授團(tuán)隊貫通葡萄糖感知通路——陽離子通道蛋白TRPV介導(dǎo)葡萄糖感知到AMPK激活的作用與機(jī)制
機(jī)體有著一系列精妙的機(jī)制來感知糖、脂類和氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的水平，并做出反應(yīng)以維持物質(zhì)和能量代謝的穩(wěn)態(tài)；若感應(yīng)機(jī)制失效，則可能導(dǎo)致代謝性疾病的發(fā)生。這些過程不但是生物學(xué)的一個核心問題，也與我們的生活密切相關(guān)。葡萄糖是生物體最基本的物質(zhì)和能量的來源，其水平升高會引起胰島素的分泌，進(jìn)一步引起包括脂肪合成在內(nèi)的合成代謝途徑的上調(diào)，從而加速機(jī)體對這些營養(yǎng)物質(zhì)的同化，而其水平的下降則會引起一系列分解代謝途徑的上調(diào)，產(chǎn)生能量以供應(yīng)機(jī)體所需。因此，對葡萄糖水平的感應(yīng)是我們在應(yīng)對如饑餓等應(yīng)激狀態(tài)下的生理功能所必需的。
近年來，林圣彩教授課題組在葡萄糖感知及其對代謝穩(wěn)態(tài)的維持，特別是在對葡萄糖水平的下降并進(jìn)一步激活代謝的核心調(diào)控者AMPK（AMP-activated protein kinase）從而調(diào)節(jié)下游的代謝通路的機(jī)制上，取得了一系列重大進(jìn)展。2013年，他們發(fā)現(xiàn)AXIN蛋白是將上游激酶LKB1帶到AMPK并激活它的橋梁（Cell Metabolism，2013）。?2014年，他們的文章解析了，在葡萄糖水平下降時，AMPK和LKB1通過AXIN蛋白結(jié)合到溶酶體膜上v-ATPase復(fù)合物和Ragulator所在區(qū)域，AMPK在此被LKB1激活，啟動下游分解途徑（Cell Metabolism，2014）。于此同時，v-ATPase失活，mTOC1復(fù)合體離開了溶酶體，合成途徑關(guān)閉（Cell Metabolism，2014）。2017年，他們進(jìn)一步的研究揭示了在葡萄糖匱乏情況下，1，6二磷酸果糖（FBP）水平降低，FBP醛縮酶（adolase）被解除抑制。醛縮酶促進(jìn)v-ATPase, Ragulator和AMPK-AXIN-LKB1之間的動態(tài)組合，形成超級復(fù)合體，并激活了AMPK；從而初步描繪了葡萄糖感知和AMPK調(diào)控的“路線圖”(Nature ,2017)。?2019年4月，Cell Research又以封面文章報道林圣彩課題組的最新研究成果：不同程度的能量缺乏可逐級激活胞內(nèi)不同區(qū)域的AMPK，展示了AMPK的時空調(diào)控全圖（Cell Research，2019）。但在上述葡萄糖感知的畫卷中有一個尚未解決的問題是未結(jié)合FBP的醛縮酶如何抑制v-ATPase的活性，促成了超級復(fù)合體形成從而激活溶酶體上的AMPK。
2019年6月13日，?Cell Metabolism雜志在線發(fā)表了林圣彩教授的最新成果：Transient Receptor Potential V Channels Are Essential for Glucose Sensing by Aldolase and AMPK，發(fā)現(xiàn)陽離子通道蛋白TRPV介導(dǎo)葡萄糖感知到AMPK激活的過程的作用和機(jī)制，為葡萄糖感知和AMPK激活的“路線圖”添上了重要的一筆，可視為讓葡萄糖感知通路全線貫通的重要一環(huán)。
該工作是在該課題組2017年發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步延伸。首先他們通過質(zhì)譜分析鑒定出了陽離子通道家族TRPV可與醛縮酶蛋白結(jié)合；這一結(jié)合可被生理濃度的FBP所抑制。他們還觀察到在葡萄糖水平降低的情況下，FBP的濃度也隨之降低，TRPV的鈣離子通道活性被抑制。其后，他們發(fā)現(xiàn)無論是通過小分子抑制劑抑制TRPV通道活性還是鈣離子螯合劑降低胞內(nèi)鈣離子水平，均可以阻礙溶酶體酸化，提示了v-ATPase活性受到了影響。在加入鈣離子螯合劑時即使葡萄糖水平正常，AXIN蛋白也定位于溶酶體，AMPK可被磷酸化。進(jìn)一步的工作表明，TRPV位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體接觸的區(qū)域；葡萄糖水平下降可造成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-溶酶體附近胞內(nèi)區(qū)域鈣離子濃度的降低。最后他們的工作證明了未結(jié)合FBP的醛縮酶可結(jié)合TRPV并抑制其鈣離子的通道活性；鈣離子濃度下降促使了醛縮酶-v-ATPase復(fù)合體的變構(gòu)，從而抑制v-ATPase，最終啟動溶酶體上的AMPK激活途徑，引起此處AMPK的活化（下圖）。
這一工作不僅精巧地分析了不同葡萄糖濃度下內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-溶酶體接觸附近的多個蛋白復(fù)合體的動態(tài)變化，補全了葡萄糖信號從FBP水平的下降被傳導(dǎo)到v-ATPase的過程，更深化了我們對依賴于中間代謝產(chǎn)物及代謝酶來調(diào)節(jié)下游代謝信號通路的過程的認(rèn)識。
在這里，醛縮酶既能夠結(jié)合FBP從而感知FBP的水平，又能夠催化FBP裂解成三碳糖。如果沒有TRPV的參與，不斷經(jīng)歷與底物FBP的結(jié)合-催化-不結(jié)合“周期”的醛縮酶就會引起v-ATPase和AMPK的活性的劇烈變化。TRPV的出現(xiàn)使得局部震蕩式變化的FBP水平被“緩沖”成了一種相對穩(wěn)定的、鈣離子濃度的變化。具體地說，FBP足夠高時，每一時刻總有一定數(shù)量（盡管不是全部）的醛縮酶結(jié)合著FBP，使其附近的TRPV保持著活力并進(jìn)一步維持附近的鈣離子濃度以維持v-ATPase的活力，阻止AMPK的“貿(mào)然”激活；只有當(dāng)葡萄糖濃度真正下降，能夠結(jié)合FBP的醛縮酶的比例真正地降低的時候，鈣離子濃度才會因為TRPV的抑制而下降，允許TRPV進(jìn)一步與v-ATPase結(jié)合并改變其構(gòu)象，導(dǎo)致AMPK的激活。作者把上述TRPV的這一功能比喻成類似于電容器的”鈣容器”（calcium capacitor），在時間和空間上確保了AMPK和其下游的重要途徑的調(diào)控的精確性和可靠性。
鑒于由一種代謝產(chǎn)物通過一個中間步驟上的代謝酶調(diào)控下游生理功能的模式十分普遍——例如許多氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白就被發(fā)現(xiàn)能夠在快速變構(gòu)并轉(zhuǎn)運氨基酸的同時，作為氨基酸水平的感受器在此時激活mTORC1并啟動合成代謝途徑（被稱為“transceptor”）——這一工作對今后所有類似的研究都有重要的借鑒意義。
有意思的是，該工作其實來源于一次“失敗的實驗”。據(jù)林圣彩教授介紹，他們在2015年時，通過一種粗分的、含有溶酶體的“輕質(zhì)膜泡（light organelles）”組分，在體外發(fā)現(xiàn)了FBP能夠直接關(guān)閉溶酶體上AMPK的激活途徑。然而，當(dāng)他們嘗試進(jìn)一步純化溶酶體，在一個更純的體系里再一次重構(gòu)上述的FBP的功能時，卻怎么也無法得到同樣的結(jié)果。在認(rèn)真分析并排除了各種因素的影響之后，他們確定這是由于進(jìn)一步的純化過程使得輕質(zhì)膜泡組分中的某些物質(zhì)丟失所導(dǎo)致的。接下來，他們應(yīng)用了各種對照，通過多輪的質(zhì)譜分析以及長達(dá)兩年的對所得結(jié)果的逐一驗證，最終把目光鎖定在TRPV家族上。盡管因為篇幅所限，在正式發(fā)表的文章中我們很遺憾地?zé)o法得見作者們的這些早期的探索和分析，但這一精彩而曲折的過程無不提醒我們，科學(xué)和探索是臻于至善、永無止境的。
該論文的共同第一作者為我院博士生李夢琪、張宸崧教授和博士生宗岳，林圣彩教授為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2019.05.018
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（生命科學(xué)學(xué)院）
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