Sabtini团队解析葡萄糖匮乏调控mTORC1活性的机制

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生物体在生长发育和衰老过程中需要应对各种压力、应激和生长条件改变带来的能量水平波动的情况。mTORC1和AMPK是细胞维持稳态和调控合成与分解代谢的中心。各种能量代谢产物通过结合影响这两个复合物的不同部件来控制激活，影响下游代谢通路。其中mTORC1在氨基酸、生长因子、葡萄糖、氧气充足和能量水平高的情况下才能被激活。近年来，研究逐步阐明了通过GATOR-Rag调节mTORC1的多个氨基酸感应器（sensor）。生长因子和能量状态通过TSC-Rheb来影响mTORC1。而细胞能量物质葡萄糖水平改变如何直接影响mTORC1活性则知之甚少。

AMPK和mTORC1可以相互调控对方的活性。AMP水平升高可激活AMPK；而葡萄糖饥饿带来的糖酵解产物果糖-1，6-二磷酸FBP水平的降低能调节AMPK在溶酶体表面的激活。激活的AMPK能直接抑制mTORC1的活性来抑制合成代谢。但是也有证据表明葡萄糖缺乏条件下可不依赖于AMPK而直接调控mTORC1。

近日，Nature Metabolism发表了David Sabtini实验室的工作：Dihydroxyacetone phosphate signals glucose availability to mTORC1。研究通过逐个抑制糖酵解途径酶和代谢产物的分析确立了Dihydroxyacetone phosphate（二羟基丙酮酸DHAP）是葡萄糖代谢途径调控mTORC1的关键分子。DHAP调节通过GATOR-KICSTOR-Rag来实现。

研究中，为了阻断AMPK的活性，作者制备了AMPK激酶亚基AMPK (α1 and α2)的敲除细胞系。在葡萄糖缺乏时，在AMPK (α1 and α2)敲除细胞系中，AMPK的底物ACC磷酸化被抑制；而mTORC1的活性也受到抑制，说明存在独立于AMPK的通路能够调节它的活性。其后的实验均在此细胞系基础上进行。

mTORC1通过几个关键氨基酸亮氨酸、甲硫氨酸和精氨酸来调节其活性。下一步关键在于找到mTORC1感知的葡萄糖代谢途径中的具体相关关键分子。在葡萄糖缺乏时，通过添加糖酵解的几个相关步骤的产物，如氨糖、果糖和甘露糖均能重新激活mTORC1。但葡萄糖类似物却没有类似的效果，这进一步说明是葡萄糖下游的糖酵解途径产物能够影响mTORC1。

糖酵解途径包括以下步骤（图1），作者逐一敲除了每步的催化酶，并通过代谢组来检测底物累及的情况以验证效果。mTORC1的活性通过检测S6K的磷酸化来进行。最后将关键分子锁定在醛羧酶ALDO之下和GAPDH之上的分子：DHAP和GAP (glyceraldehyde 3-phosphate)。

图1 糖酵解步骤

研究难点之一在DHAP和GAP通过丙糖磷酸异构酶（TPI triosephosphate isomerase）自由转换。正常情况下，DHAP被转化为GAP进入糖酵解下游。为了鉴别两个分子对mTORC1活性影响，作者构建了TPI敲除细胞系。他们推测：葡萄糖缺乏情况下，TPI敲除细胞系中DHAP水平没有明显降低，而mTORC1被抑制的速率明显减慢，说明DHAP分子水平能影响它的活性。反之，葡萄糖缺乏情况下，GAP分子被迅速消耗，而TPI敲除使DHAP分子无法回补GAP分子水平，若mTORC1活性抑制速度没有影响，则证明mTORC1主要感受GAP分子水平变化。实验结果表明，mTORC1主要感受DHAP分子水平的改变。DHAP相关其他代谢途径和其衍生分子均能影响mTORC1在葡萄糖缺乏时的活性调节。

图2 mTORC1抑制速率的比较

本文的遗憾之处在于没能找到感受DHAP分子水平的mTORC1相关的关键蛋白。后续实验表明GATOR-KICSTOR-Ragulator途径是mTORC1感知葡萄糖水平改变的关键。总结来说，这项研究的重要贡献是找到了DHAP是葡萄糖代谢中影响mTORC1活性的关键分子。DHAP分子是三酸甘油酯合成前体，进一步调节下游相关磷脂分子的合成。而DHAP分子水平和GAP分子水平互相调节，则是连接mTORC1与下游糖酵解途径的关键。