葡萄糖依赖的mTORC1信号调控新机制

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【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 KimSunghoon KimScience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

1. A. Efeyan, R.Zoncu, S. Chang, I. Gumper, H. Snitkin, R. L. Wolfson, O. Kirak, D. D.Sabatini, D. M. Sabatini, Regulation of mTORC1 by the Rag GTPases is necessaryfor neonatal autophagy and survival. Nature 493, 679–683 (2013).
2.J.M.Han,S.J.Jeong,M.C.Park,G.Kim,N.H.Kwon,H.K.Kim,S.H.Ha,S.H.Ryu, S. Kim,Leucyl-tRNA synthetase is an intracellular leucine sensor for the mTORC1-signaling pathway. Cell 149, 410–424 (2012).
3.  D. Shao, O. Villet, Z. Zhang, S. W. Choi, J.Yan, J. Ritterhoff, H. Gu, D. Djukovic, D. Christodoulou, S. C. Kolwicz Jr., D.Raftery, R. Tian, Glucose promotes cell growth by suppressing branched-chainamino acid degradation. Nat. Commun. 9, 2935 (2018).
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