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林聖彩教授團隊貫通葡萄糖感知通路——陽離子通道蛋白TRPV介導葡萄糖感知到AMPK激活的作用與機制

發布時間:2019-06-14來源:生命科學學院點擊數:632

機體有著一系列精妙的機制來感知糖、脂類和氨基酸等營養物質的水平,並做出反應以維持物質和能量代謝的穩態;若感應機制失效,則可能導致代謝性疾病的發生。這些過程不但是生物學的一個核心問題,也與我們的生活密切相關。葡萄糖是生物體最基本的物質和能量的來源,其水平升高會引起胰島素的分泌,進一步引起包括脂肪合成在內的合成代謝途徑的上調,從而加速機體對這些營養物質的同化,而其水平的下降則會引起一系列分解代謝途徑的上調,産生能量以供應機體所需。因此,對葡萄糖水平的感應是我們在應對如饑餓等應激狀態下的生理功能所必需的。

近年來,林聖彩教授課題組在葡萄糖感知及其對代謝穩態的維持,特別是在對葡萄糖水平的下降並進一步激活代謝的核心調控者AMPKAMP-activated protein kinase)從而調節下遊的代謝通路的機制上,取得了一系列重大進展。2013年,他們發現AXIN蛋白是將上遊激酶LKB1帶到AMPK並激活它的橋梁(Cell Metabolism2013)。 2014年,他們的文章解析了,在葡萄糖水平下降時,AMPKLKB1通過AXIN蛋白結合到溶酶體膜上v-ATPase複合物和Ragulator所在區域,AMPK在此被LKB1激活,啓動下遊分解途徑(Cell Metabolism2014)。于此同時,v-ATPase失活,mTOC1複合體離開了溶酶體,合成途徑關閉(Cell Metabolism2014)。2017年,他們進一步的研究揭示了在葡萄糖匮乏情況下,16二磷酸果糖(FBP)水平降低,FBP醛縮酶(adolase)被解除抑制。醛縮酶促進v-ATPase, RagulatorAMPK-AXIN-LKB1之間的動態組合,形成超級複合體,並激活了AMPK;從而初步描繪了葡萄糖感知和AMPK調控的“路線圖”(Nature ,2017) 20194月,Cell Research又以封面文章報道林聖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不同區域的AMPK,展示了AMPK的時空調控全圖(Cell Research2019)。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合FBP的醛縮酶如何抑制v-ATPase的活性,促成了超級複合體形成從而激活溶酶體上的AMPK

2019613日, Cell Metabolism雜志在線發表了林聖彩教授的最新成果:Transient Receptor Potential V Channels Are Essential for Glucose Sensing by Aldolase and AMPK發現陽離子通道蛋白TRPV介導葡萄糖感知到AMPK激活的過程的作用和機制,爲葡萄糖感知和AMPK激活的“路線圖”添上了重要的一筆,可視爲讓葡萄糖感知通路全線貫通的重要一環。

該工作是在該課題組2017年发现的基础上的进一步延伸。首先他们通過质谱分析鉴定出了阳离子通道家族TRPV可與醛縮酶蛋白結合;這一結合可被生理濃度的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的钙离子通道活性被抑制。其后,他们发现无论是通過小分子抑制剂抑制TRPV通道活性還是鈣離子螯合劑降低胞內鈣離子水平,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。進一步的工作表明,TRPV位于內質網和溶酶體接觸的區域;葡萄糖水平下降可造成內質網-溶酶體附近胞內區域鈣離子濃度的降低。最後他們的工作證明了未結合FBP的醛縮酶可結合TRPV並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複合體的變構,從而抑制v-ATPase,最終啓動溶酶體上的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質網-溶酶體接觸附近的多個蛋白複合體的動態變化,補全了葡萄糖信號從FBP水平的下降被傳導到v-ATPase的過程,更深化了我們對依賴于中間代謝産物及代謝酶來調節下遊代謝信號通路的過程的認識

在這裏,醛縮酶既能夠結合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,不斷經曆與底物FBP的結合-催化-不結合“周期”的醛縮酶就會引起v-ATPaseAMPK的活性的劇烈變化。TRPV的出現使得局部震蕩式變化的FBP水平被“緩沖”成了一種相對穩定的、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量(盡管不是全部)的醛縮酶結合著FBP,使其附近的TRPV保持著活力並進一步維持附近的鈣離子濃度以維持v-ATPase的活力,阻止AMPK的“貿然”激活;只有當葡萄糖濃度真正下降,能夠結合FBP的醛縮酶的比例真正地降低的時候,鈣離子濃度才會因爲TRPV的抑制而下降,允許TRPV進一步與v-ATPase結合並改變其構象,導致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和其下遊的重要途徑的調控的精確性和可靠性。

鉴于由一种代谢产物通過一个中间步骤上的代谢酶调控下游生理功能的模式十分普遍——例如许多氨基酸转运蛋白就被发现能够在快速变构并转运氨基酸的同时,作为氨基酸水平的感受器在此时激活mTORC1並啓動合成代謝途徑(被稱爲“transceptor”)——這一工作對今後所有類似的研究都有重要的借鑒意義。


有意思的是,该工作其实来源于一次“失败的实验”。据林聖彩教授介绍,他们在2015年时,通過一種粗分的、含有溶酶體的“輕質膜泡(light organelles)”組分,在體外發現了FBP能夠直接關閉溶酶體上AMPK的激活途徑。然而,當他們嘗試進一步純化溶酶體,在一個更純的體系裏再一次重構上述的FBP的功能时,却怎么也无法得到同样的结果。在认真分析并排除了各种因素的影响之后,他们确定这是由于进一步的纯化过程使得轻质膜泡组分中的某些物质丢失所导致的。接下来,他们应用了各种对照,通過多轮的质谱分析以及长达两年的对所得结果的逐一验证,最终把目光锁定在TRPV家族上。盡管因爲篇幅所限,在正式發表的文章中我們很遺憾地無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,科學和探索是臻于至善、永無止境的。

该论文的共同第一作者为我院博士生李梦琪、张宸崧教授和博士生宗岳,林聖彩教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。

原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cmet.2019.05.018

Bioart宣傳文鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/fysvJqyz_OF6w54urEbbPA

 

(生命科學學院)