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顛覆性發現:林聖彩組Nature破解葡萄糖感受的新機制【專家特評】丨BioArt特別推薦

顛覆性發現:林聖彩組Nature破解葡萄糖感受的新機制【專家特評】丨BioArt特別推薦

BioArt按AMPK是細胞內幾乎是最重要的能量感受器。長久以來,學術界普遍認為AMPK的激活僅僅依賴於細胞內AMP濃度的變化(AMPK英文全稱AMP-activated protein kinase,即受AMP激活的蛋白激酶),而且目前已經成為一種經典途徑被人們廣泛接受。然而在生命科學領域,所謂的「經典」經常性的會被新的研究發現所打破。7月19日,廈門大學林聖彩教授團隊與英國鄧迪大學Grahame Hardie教授團隊合作在Nature雜誌上發表了題為「Fructose-1,6-bisphosphate and aldolase mediate glucose sensing by AMPK」的研究論文,顛覆性的發現了一種獨立於經典AMP途徑的依賴於糖酵解通路的代謝酶aldolase(醛縮酶)的非催化功能的AMPK激活機制。這一發現打破了「AMPK的激活僅僅依賴於細胞內AMP濃度的變化這一學術界長久以來的共識,賦予了AMPK這一經典蛋白新的含義,被同行學者譽為「里程碑式的工作」、「建立了細胞能量代謝的新範式」,這也是科學家近年來在本土做出的少有的重大原創性發現。值得一提的是,Nature還配發了相應的評論文章「Metabolism: Energy sensing through a sugar diphosphate」。鑒於該創新成果的重要意義,BioArt特別邀請到了復旦大學趙世民教授和清華大學俞立教授做點評,以饗讀者!

葡萄糖對大多數細胞而言是主要的能源物質,它通過糖酵解或者氧化途徑產生細胞內的通用能量「貨幣」ATP。人體在工作活運動中會消耗大量的ATP,此時ATP轉變為ADP,當能量進一步缺乏時進而轉變為AMP。經典理論認為,當細胞能量不足時,體內的ATP含量減少而ADP活AMP含量上升,作為真核細胞中高度保守的、最重要的能量感受器,AMPK可以感知細胞內AMP/ATP和(或)ADP/ATP比例變化而被激活。AMPK在調節細胞生長、增殖、維持機體能量平衡以及細胞代謝過程中起著重要作用(下圖)【1】。

AMPK參與調控的一系列代謝過程。圖片引自:Hardie, D. G., & Alessi, D. R. (2013). LKB1 and AMPK and the cancer-metabolism link-ten years after. BMC biology, 11(1), 36.

遺傳分析表明,不僅僅在哺乳動物之中,AMPK作為代謝能量感受器在包括擬南芥、酵母、線蟲、果蠅和小立碗蘚等模式生物中也高度保守【2】。AMPK通過調控眾多的下游分子來實現其對能量代謝的調控。激活后的AMPK可以開啟分解代謝途徑,增加能量的產生;關閉合成代謝途徑,減少能量的消耗。換句話說,也就是在葡萄糖水平下降時,被激活的AMPK能夠迅速啟動脂肪、蛋白質的分解代謝,關閉與它們的合成代謝,從而起到維持機體的能量和物質代謝的平衡,彌補機體因葡萄糖不足引起的脅迫壓力的重要作用。AMPK在代謝中的作用如此之大,因此對AMPK的精細調控就顯得極為重要。

那麼,機體如何感受葡萄糖水平下降,並「傳遞」給AMPK使其激活呢?這個問題還遠沒有弄清楚。目前的理論把葡萄糖看作一種「能量信號」,它的下降將引起細胞內的能量分子——ATP含量的下降,進而引起另一種代表低能量狀態的分子——AMP水平的上升,後者作為AMPK的激活劑從而直接激活AMPK。遺憾的是,目前並沒有一種生理狀態能夠對應上這種理論。

2013年林聖彩教授團隊發表在Cell Metabolism雜誌上的研究論文闡明了Axin通過調控AMPK磷酸化水平而調節其活性從而實現感知細胞內部能量水平的機制【3】。後續研究又找到了AMPK激活的「據點」,即AMPK是在溶酶體膜上進行的,並且這個「據點」竟是促進分解代謝和合成代謝的共同使用的蛋白複合體,從而揭示了分解代謝和合成代謝的切換機關,這這一重要成果發表在2014年Cell Metabolism雜誌上【4】。2016年林聖彩教授團隊繼續在Cell Metabolism雜誌上發表了這一系列研究的第三篇論文,指出metformin(二甲雙胍)降血糖作用是通過上述的溶酶體上的「據點」實現的【5】。

在林聖彩團隊與Grahame Hardie團隊合作的這項研究中,研究人員發現了生理狀態下機體感受葡萄糖水平的機制。研究發現,無論在不含葡萄糖的細胞培養條件下,還是在飢餓的低血糖的動物體內,都不能觀測到AMP水平的上升,這充分說明了機體有一套不為人知的、獨立於AMP的感應葡萄糖水平的機制。在進一步的研究中他們揭示了這一完整過程:葡萄糖水平下降將引起的葡萄糖代謝物——果糖1,6-二磷酸(fructose-1,6-bisphosphate,FBP)水平的下降,該過程進一步地被糖酵解通路上的代謝酶——醛縮酶(aldolase)感應,後者將啟動林聖彩教授課題組先前發現的激活AMPK的溶酶體途徑進而介導AMPK的激活。當aldolase不與FBP結合時,會促進上述溶酶體途徑中包含v-ATPase, ragulator, axin, liver kinase B1 (LKB1) 和AMPK的蛋白複合體的形成(下圖)。

Aldolase通過感應葡萄糖水平而激活AMPK的作用模式圖

進一步研究表明,敲除aldolase會使AMPK在葡萄糖充足的細胞中激活,而能持續結合FBP的aldolase催化活性缺失的突變體則會抑制AMPK激活。重要的是,他們發現,在一些細胞中,葡萄糖缺失尚未改變AMP水平時,AMPK就能被激活,而且不依賴於其AMP結合位點。該過程完全不涉及AMP水平,或者說能量水平的變化,是一條全新的、完全建立在實際的生理情況上的通路。

本項研究闡明了糖酵解途徑的代謝酶Aldolase通過感應葡萄糖水平而激活AMPK這一獨立於經典AMP相關的AMPK活化的重要機制,為代謝性疾病的診療提供了新的策略。

據悉,該論文的主要工作由廈門大學生命科學學院的博士后張宸崧,博士生宗岳李夢琪和英國鄧迪大學的博士后Simon Hawley等共同承擔,並與英國鄧迪大學、大連化物所、中科院大學、中科院上海生命科學研究所等單位合作完成,通訊作者為林聖彩教授和Grahame Hardie教授。該研究工作獲得了Wellcome Trust研究員獎、英國癌症研究項目、國家自然科學基金委和國家重點研發項目基金的資助。

後記:在BioArt與林聖彩教授溝通的過程中,林教授毫無掩飾的表示出了對這項重大成果發現的興奮與激動。林聖彩教授把葡萄糖水平總結為一種「狀態信號」,以區別於傳統的「能量信號」。他介紹,葡萄糖的存在本身就是一種「狀態」,可以引起一系列生理生化反應。葡萄糖水平對機體代謝的調節不需要「繞道」能量水平,而是可以直接地被感應,進而行使作用。對於生物體來說,能量水平的穩定是至關重要的,ATP水平的下降對機體的傷害是巨大的,因此等到能量水平下降再作出應激反應很可能為時已晚。「狀態信號」的存在使得機體能夠「前瞻性」地應對複雜的外界條件和各種應激壓力,保證生命活動的有序進行。林聖彩教授最後總結說:「生物體是進化的完美產物,可以說是神奇甚至神聖的,它擁有許多超乎我們想象的絕妙機制來克服各種困難。今後,我們將以更寬闊的眼界和更全面的知識去審視,去研究能量、物質代謝和生物體應激反應之間的統籌、互作與調節的複雜而又深刻的關係。」

林聖彩教授研究團隊長期致力於研究細胞生長和代謝穩態相關的信號轉導通路及分子機制,近年來以通訊作者在Science、Cell Metabolism、Molecular Cell等國際重要期刊上發表多篇論文。他領導的實驗室揭示了介導生長因子缺失誘導自噬的一條多接點的信號轉導通路,並因此榮獲「2012年度科學十大進展」;在葡萄糖和細胞能量代謝調控領域做出了一系列重大突破,被國際同行譽為「範式轉換」,對認知細胞如何將能量缺乏的信號傳遞至感受子激酶AMPK並使其激活,對了解包括肥胖症、糖尿病在內的多種代謝型疾病,以及對二甲酸胍這一神奇藥物作用機制的闡明有著重大的意義。由於在AMPK領域的開創性工作,他受Methods in Enzymology邀請撰寫了「Methods to Study Lysosomal AMPK Activation」一章。2016年應邀作為大會共主席在廈門舉辦了第九屆AMPK國際研討會(下圖)。

第九屆AMPK國際研討會與會嘉賓合影

Comments自上世紀90年代蘇格蘭Dundee大學的 Grahame Hardie教授在發現AMPK(AMP-activated protein kinase)在細胞能量感知的重要功能以來,AMPK和著名的mTOR (mammalian target of rapamycin)激酶一道,被認為是細胞內最重要的能量與營養物感應器。AMPK感知能量不足並調控下游包括葡萄糖轉運、細胞周期、細胞凋亡和糖原代謝等重要基因,而mTOR主要感知代謝物丰度並調控幾乎所有的細胞合成代謝過程。

由於被命名為「AMP激活的蛋白激酶」,AMPK活性一直以來都被認為只被代表低能量的AMP調節,晶體結構研究也在AMPK複合體的γ亞基中發現了AMP的結合位點並提出了AMP調控AMPK活性的結構解釋。林聖彩教授團隊首先揭示了AMPK在細胞內的激活機制,即AMPK是在溶酶體表面被激活的。然而,仍值得思考的問題包括:1)作為細胞低能量狀態的總感應器,AMPK活性是否只受到能量相關分子AMP或ADP的調控?2)AMPK是否可以如mTOR一樣,既感知能量狀態又感知代謝物(營養)狀態?林聖彩教授團隊在這方面的研究最近有了重大進展。他們發現,糖酵解途徑的中間代謝產物果糖1,6二磷酸(FBP)也是AMPK活性的調節因子,即當葡萄糖水平下降時,不被其底物FBP結合的aldolase會誘發溶酶體途徑中包含v-ATPase, ragulator, axin, liver kinase B1 (LKB1) 和AMPK的蛋白複合體的形成,從而激活AMPK(Nature, 2017)。在細胞內,FBP的缺失、下降並不依賴於AMP激活AMPK。這一里程碑式發現第一次提出了AMPK有獨立於AMP或ADP之外的調控機制。更重要的是,由於FBP是一個糖酵解中間代謝物,可以表徵細胞代謝物(營養)狀態,因此, AMPK除了是一個能量感應器外,也是一個代謝物(營養)丰度感應器,提示了AMPK還起了感知細胞代謝狀態的使者。此外,林聖彩團隊前期發現的AMPK的溶酶體激活通路涉及v-ATPase和 ragulator,它們同時也是mTOR激活的組成部分,該團隊也揭示了葡萄糖飢餓引起主導的分解代謝調控的AMPK的激活的同時主導合成代謝mTOR被抑制的分子機制,和二甲雙胍具有抑制癌症發生的理論基礎(Cell Metabolism, 2013, 2014,2016),系列原創研究豐富了人們對代謝感知的認識。

由於激活AMPK具有廣泛的疾病預防、治療作用,這些關於AMPK活性調控顛覆性的發現無疑隱含有巨大的生物醫藥轉化前景。

Commenst細胞能量代謝的核心問題是細胞的能量狀態是如何被控制能量代謝的關鍵激酶AMPK所感知的。長期以來,AMPK的活性被認為是由細胞內AMP,ADP水平所直接調控,在能量匱乏的情況下,細胞內AMP,ADP濃度升高,從而激活AMPK。林聖彩研究組最近的工作從根本上挑戰了這一細胞能量代謝領域的核心理論。他們發現葡萄糖在糖酵解途徑中的代謝中間產物果糖1,6-二磷酸才是真正的AMPK激活的感測分子,而果糖1,6-二磷酸酶,即醛縮酶,是AMPK激活的感測元件,細胞通過這一感測系統以獨立於AMP,ADP的方式監測並調節細胞內能量水平。有意思的是,由於果糖1,6-二磷酸是糖酵解途徑的中間產物,胞內果糖1,6-二磷酸的濃度直接取決於胞內葡萄糖的濃度,因此,葡萄糖的濃度變化通過這一感測系統直接調控AMPK的激活,並直接抑制了能促進合成代謝的mTORC1酶的活力。從這個意義上來說,葡萄糖不但是能量的載體,同時也是調控AMPK和mTORC1活性及其所調控的分解和合成代謝的信號。這項工作建立了細胞能量代謝的新範式。

參考文獻:

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

林聖彩,長江學者特聘教授,博士生導師,國家傑出青年基金獲得者,國家「萬人計劃」領軍人才,生物化學與分子生物學學會副理事長。1984年畢業於廈門大學生物系,獲學士學位;1985年入選CUSBEA項目赴美國留學;1991年在美國德克薩斯大學西南醫學中心獲得生物化學博士學位;1991-1995年在美國霍華德•休斯醫學研究所從事博士后工作;1995-2001年在新加坡分子和細胞生物學研究所任高級研究員;2001-2006年,任香港科技大學助理教授、副教授(獲終生職位);2001年起兼任廈門大學教授、長江學者,2003.12-2017.6 任生命科學學院院長,2006年7月起全職回到廈門大學。

林聖彩教授長期致力於研究細胞生長和代謝穩態相關的信號轉導通路及分子機制,迄今為止在國際主流刊物上發表SCI論文90餘篇,其中以通訊作者在Nature、Science、 Nature Cell Biology、Cell Metabolism、Molecular CellDevelopmental Cell等雜誌上上發表了一系列重要發現。他領導的課題組揭示了生長因子缺乏誘導的細胞啟動自噬的過程——GSK3-TIP60-ULK1通路,完整地解釋了細胞響應生長因子的缺乏而啟動自噬信號通路從而維持代謝穩態的分子機制(Science,2012),並因此入選「2012年度科學十大進展」; 以及在自噬中發揮起始作用的ULK1激酶獨立於自噬程序調控葡萄糖流量以維持細胞健康的分子機制(Molecular Cell, 2016);揭示了在代謝調控中起核心作用的AMPK激酶在細胞內的激活機制,同時破解了合成代謝與分解代謝轉換的機制,被國際AMPK領域權威譽為該領域認知的「範式轉換」(Cell Metabolism,2013,2014);並解決了細胞感受葡萄糖的分子機制的重大科學問題(Nature, 2017)。此外,闡明了二甲酸胍這一神奇藥物的激活AMPK的作用機制,增進了我們對包括肥胖症、糖尿病在內的多種代謝型疾病的了解(Cell Metabolism,2016);其林聖彩領導的團隊已經成為AMPK這一領域的全球領軍團隊。

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