氨基酸感知與代謝調(diào)控的研究進(jìn)展

許丹丹 何 艮（中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，水產(chǎn)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海水養(yǎng)殖教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島266003）

氨基酸感知與代謝調(diào)控的研究進(jìn)展

許丹丹 何 艮?
（中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，水產(chǎn)動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)與飼料農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海水養(yǎng)殖教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島266003）

摘 要：氨基酸不僅是蛋白質(zhì)和其他含氮化合物合成的重要前體，還參與體內(nèi)主要代謝途徑的調(diào)控。當(dāng)氨基酸不足時(shí)，機(jī)體內(nèi)多種機(jī)制參與調(diào)節(jié)體內(nèi)平衡，包括快速停止蛋白質(zhì)合成、增加氨基酸合成和轉(zhuǎn)運(yùn)，以及加強(qiáng)自噬作用。越來(lái)越多的學(xué)者證明氨基酸可作為信號(hào)分子參與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)過程，可以調(diào)節(jié)其他營(yíng)養(yǎng)素如脂肪和能量的代謝，最終導(dǎo)致機(jī)體整體代謝的改變。本文主要綜述細(xì)胞內(nèi)氨基酸的營(yíng)養(yǎng)感知與應(yīng)答機(jī)制，涉及氨基酸應(yīng)答（AAR）和雷帕霉素靶蛋白（TOR）2條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，并探討這2條信號(hào)通路對(duì)下游營(yíng)養(yǎng)素代謝途徑的調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：氨基酸感知；氨基酸應(yīng)答；雷帕霉素靶蛋白；代謝

當(dāng)環(huán)境發(fā)生大范圍改變，如鹽度、酸堿度或者營(yíng)養(yǎng)素等發(fā)生變化，多細(xì)胞生物體本身的內(nèi)穩(wěn)態(tài)機(jī)制能夠保證其存活。對(duì)高等動(dòng)物的研究表明，氨基酸代謝庫(kù)中氨基酸的組成與含量變化引起不同的細(xì)胞應(yīng)答，由相關(guān)信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)介導(dǎo)，調(diào)控下游效應(yīng)因子，實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的合成與降解、基因表達(dá)與抑制以及營(yíng)養(yǎng)素的新陳代謝，最終在宏觀上表現(xiàn)為動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育等經(jīng)濟(jì)性狀的差別［1］。目前已知在細(xì)胞水平上有2條信號(hào)通路可感知氨基酸含量，1條為感知氨基酸豐度的雷帕霉素靶蛋白（tar?get of rapamycin，TOR）信號(hào)系統(tǒng)，1條為感知氨基酸平衡的氨基酸應(yīng)答（amino acid response，AAR）

信號(hào)通路［1－2］。

1　TOR信號(hào)通路的氨基酸感知與代謝調(diào)節(jié)

1．1 TOR信號(hào)通路與氨基酸感知

TOR是一種高度保守的絲氨酸／蘇氨酸激酶，它接收并整合來(lái)自細(xì)胞內(nèi)的氨基酸、生長(zhǎng)因子、能量狀態(tài)和應(yīng)激等信號(hào)，調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝［3－4］。TOR存在2個(gè)結(jié)構(gòu)和功能上有差異的復(fù)合物，分別是對(duì)雷帕霉素和營(yíng)養(yǎng)素敏感的TOR復(fù)合體（TOR complex，TORC）1和對(duì)雷帕霉素和營(yíng)養(yǎng)素不敏感的TORC2［5－6］。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，TORC1主要包含有TOR、TOR調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白（regulatory?associated protein of mTOR，Raptor）和哺乳動(dòng)物酵母同源致命因子Sec13蛋白8（mam?malian lethal with SEC13 protein 8，mLST8）成分，而TORC2主要包含有TOR、對(duì)雷帕霉素不敏感的伴隨物（rapamycin?insensitive companion ofmTOR，Rictor）、哺乳動(dòng)物應(yīng)激激活蛋白激酶作用蛋白（mSIN1）、mLST8和富含脯氨酸蛋白（proline rich protein，PRR）成分［7］。TORC1可以綜合細(xì)胞內(nèi)氨基酸、生長(zhǎng)因子、應(yīng)激等信號(hào)，進(jìn)而控制著多種主要的細(xì)胞生命活動(dòng)，例如蛋白質(zhì)合成、脂肪合成、能量代謝和自噬等過程［4，8］。TORC2主要由生長(zhǎng)因子激活，進(jìn)而通過磷脂酰肌醇－3－激酶（phos?phoinositide?3?kinase，PI3K）依賴的核糖體輔助和磷酸化蛋白激酶A、G、C相關(guān)（AGC）激酶家族，進(jìn)而控制著細(xì)胞的存活、肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的組織和其他生命過程［8－10］。

對(duì)TORC1激活的機(jī)制已在哺乳動(dòng)物、畜禽和魚類中進(jìn)行了廣泛研究［5，8，11］。其一，胰島素可以激活TORC1的活性。胰島素或類胰島素生長(zhǎng)因子（IGFs）首先與細(xì)胞膜表面的受體結(jié)合，使胰島素受體底物1（insulin receptor substrate 1，IRS1）磷酸化，繼而使PI3K在細(xì)胞膜聚集。PI3K通過磷酸肌醇依賴激酶1（PDK1）磷酸化蛋白激酶B （protein kinase B，Akt）。Akt可通過2種途徑激活TORC1：磷酸化的結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合體（TSC）2使TSC1／TSC2復(fù)合物去抑制，通過腦組織中豐富表達(dá)的Ras同源類似物（Ras homolog enriched in brain，Rheb）鳥苷三磷酸酶（GTPase）激活TORC1；Akt也可通過磷酸化富含脯氨酸Akt／PKB亞基40 （PRAS40）激活TORC1［12］。其二，氨基酸可以激活TORC1的活性。氨基酸信號(hào)如何傳遞至TORC1目前還知之甚少，但是一些重要的信號(hào)傳遞蛋白已逐漸被發(fā)現(xiàn)［13］。氨基酸感知一個(gè)至關(guān)重要的步驟是由氨基酸招募TORC1至溶酶體膜上，其中Rheb對(duì)TORC1附著在溶酶體膜上起至關(guān)重要的作用［14］，對(duì)所有可以激活TORC1的信號(hào)來(lái)講都是必需的［15］。

然而，TSC2敲除的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（MEFs）仍然可以感知氨基酸的缺乏，意味著存在其他非TSC?Rheb途徑的復(fù)合物參與到氨基酸感知的過程中。TORC1在溶酶體上的激活模型已被廣泛接受，其受氨基酸含量調(diào)節(jié)，涉及多個(gè)蛋白酶復(fù)合體，包括Rag GTPase、調(diào)節(jié)子（regulator）和空泡H＋?ATP酶（v?ATPase）。Rag GTPase共有4個(gè)亞基，分別是RagA、RagB、RagC和RagD，其中通常RagA和RagB、RagC和RagD聚集組成沒有功能的二聚體，它們通常常駐在溶酶體膜上。Rag復(fù)合物與鳥苷三磷酸（GTP）或鳥苷二磷酸（GDP）的結(jié)合是受氨基酸調(diào)控的。細(xì)胞經(jīng)過氨基酸刺激之后結(jié)合核苷酸時(shí)開始翻轉(zhuǎn)，RagA／B和RagC／D分別與GTP和GDP結(jié)合，這是一種Rag二聚體活化的狀態(tài)。當(dāng)氨基酸充足時(shí)，RagA／B·GTP?RagC／D·GDP激活復(fù)合體與TORC1復(fù)合體的Raptor相互作用而成為停靠位點(diǎn)，使TORC1?？吭谌苊阁w的表面。當(dāng)處于氨基酸缺乏狀態(tài)時(shí)，TORC1分散在整個(gè)細(xì)胞中，而當(dāng)加入氨基酸刺激后，TORC1重新分布在含有溶酶體和晚期核內(nèi)體標(biāo)志蛋白溶酶體相關(guān)膜蛋白（LAMP2）和小GTPase酶結(jié)合蛋白7（RAB7）的小泡中。這意味著Rag GTPase可以將氨基酸信號(hào)傳導(dǎo)到TORC1［14－15］。Rag GTPase定位在溶酶體表面，需要一個(gè)錨定分子，而regulator多聚復(fù)合物就是介導(dǎo)二者結(jié)合的骨架，其是由有絲分裂原激活蛋白激酶銜接蛋白1（MP1）、銜接蛋白14（p14）和銜接蛋白18（p18）組成的三聚體。當(dāng)氨基酸改變時(shí)，溶酶體膜上的v?ATPase調(diào)節(jié)regulator的氨基酸應(yīng)答反應(yīng)。高度保守的v?ATPase由2個(gè)組分組成，包括V1結(jié)構(gòu)域和V0結(jié)構(gòu)域。V1結(jié)構(gòu)域的ATP水解介導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)中的質(zhì)子通過V0結(jié)構(gòu)域的通道泵入溶酶體中。V1結(jié)構(gòu)域與Rag GTPase和regulator相互作用，其作用受氨基酸調(diào)節(jié)，當(dāng)氨基酸缺乏時(shí)其作用加強(qiáng)，當(dāng)氨基酸充足時(shí)作用減弱。V1結(jié)構(gòu)域的ATP水解對(duì)于Rag GTPase與TORC1的相互作用是必需的，從而激活TORC1。無(wú)論是果蠅還是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，氨基酸均引起溶酶體膜上v?ATPase與Rag GTPase和regulator相互作用，從而調(diào)節(jié)TORC1的活力［16］。

飼料高蛋白質(zhì)、氨基酸和胰島素均能激活TOR信號(hào)系統(tǒng)，影響虹鱒的多種代謝過程［17］。氨基酸對(duì)動(dòng)物TOR信號(hào)通路調(diào)控作用的研究發(fā)現(xiàn)，去除組織培養(yǎng)液中的氨基酸1～2 h，顯著抑制了TOR下游信號(hào)應(yīng)答蛋白核糖體蛋白S6激酶（ribo?somal protein S6 kinases，S6Ks）和真核起始因子4E結(jié)合蛋白（eukaryotic translation initiation factor 4E?binding proteins，4E?BPs）磷酸化作用；氨基酸恢復(fù)至基礎(chǔ)水平，恢復(fù)了下游信號(hào)傳導(dǎo)物的活性或磷酸化作用［18］。在對(duì)嚙齒動(dòng)物［19－20］和人類［21－22］的體內(nèi)體外研究發(fā)現(xiàn)，氨基酸種類對(duì)TOR信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)控作用存在差異，亮氨酸和精氨酸的調(diào)控作用較強(qiáng)，特別是亮氨酸。

1．2 TOR信號(hào)通路控制蛋白質(zhì)合成

TORC1調(diào)控著整體的翻譯水平，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和生命延長(zhǎng)。TORC1的下游蛋白包括4E?BP1和S6K1，它們以磷酸化的方式調(diào)控著mRNA多方面的翻譯功能［8］。蛋白質(zhì)合成的限速步驟是翻譯起始，在這個(gè)過程中小核糖體亞基聚集到mRNA 5′端，識(shí)別起始密碼子，隨后完整的核糖體也聚集其上完成翻譯［23－24］。小核糖體亞基與mRNA的結(jié)合需要真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄起始因子（eu?karyotic translation initiation factor，eIF）4F復(fù)合體結(jié)合到mRNA 5′帽子結(jié)構(gòu)。eIF4F復(fù)合體包含3個(gè)起始因子，即eIF4E、eIF4G和eIF4A，其中eIF4E 與5′帽子結(jié)構(gòu)結(jié)合是組裝eIF4F復(fù)合體的關(guān)鍵，它能夠召集eIF4G和eIF4A的結(jié)合［23］。而4E?BP1 與eIF4E結(jié)合抑制了eIF4F復(fù)合體形成。當(dāng)TOR信號(hào)通路激活后，磷酸化4E?BP1使eIF4E與之分離，eIF4E募集eIF4G和eIF4A，起始蛋白質(zhì)的合成［25］。

TORC1的另一個(gè)重要應(yīng)答因子是S6Ks，由TORC1磷酸化激活。研究表明，S6Ks在蛋白質(zhì)翻譯中調(diào)節(jié)翻譯起始過程，且協(xié)同調(diào)節(jié)核糖體的生物合成，從而使翻譯更加高效［26］。S6K1有多個(gè)效應(yīng)因子，S6K1的磷酸化可以磷酸化下游核糖體蛋白（S6），轉(zhuǎn)錄起始因子eIF4B，抑制胰島素受體底物－1（IRS?1）、凋亡蛋白（BAD）以及對(duì)真核細(xì)胞延伸因子2（eukaryotic elongation factor 2，eEF2）有抑制作用的eEF2激酶（eEF2K）等，從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成、糖脂代謝、細(xì)胞大小和分裂以及細(xì)胞存活等細(xì)胞過程［27－28］。S6是第1個(gè)被鑒別的S6K1底物，同樣，S6的磷酸化作用也是被研究的最徹底的一個(gè)。S6有5個(gè)磷酸化位點(diǎn)，分別為蘇氨酸35、236、240、244和247位點(diǎn)，其中蘇氨酸236位點(diǎn)為最重要的磷酸化位點(diǎn)［27］。S6磷酸化促進(jìn)了核糖體和5′端寡嘧啶束（5′?terminal oligopyrimidine tract，5′?TOP）mRNA，的親和力，從而誘導(dǎo)5′TOP mRNA進(jìn)行有效翻譯［29－30］。5′TOP mRNA主要編碼核糖體蛋白和其他翻譯過程的必需蛋白［31］。

蛋白質(zhì)合成代謝主要受TOR信號(hào)通路調(diào)節(jié)，而蛋白質(zhì)分解則主要是通過泛素－蛋白酶體通路調(diào)控［32－33］。然而，魚類蛋白酶體的活性對(duì)營(yíng)養(yǎng)狀況敏感與否仍有待驗(yàn)證［34－35］。近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者也針對(duì)魚類肌肉組織中的蛋白質(zhì)降解和特定氨基酸對(duì)TOR信號(hào)途徑的激活狀態(tài)開展了探索性研究［11］。研究發(fā)現(xiàn)，飼糧氨基酸含量是激活TOR系統(tǒng)的有效途徑，比如通過添加谷氨酰胺來(lái)激活TOR信號(hào)通路，可提高生長(zhǎng)性能［36］。而蛋白質(zhì)攝入不足或氨基酸不平衡會(huì)導(dǎo)致IGF?1水平下降，而IGF結(jié)合蛋白1（IGFBP?1）水平升高，共同作用于TOR信號(hào)通路，引起生長(zhǎng)抑制［37－38］。

1．3 TOR信號(hào)通路與糖脂代謝調(diào)控

盡管目前對(duì)于TOR和代謝調(diào)控的研究尚處于初級(jí)階段，但已有不少結(jié)果顯示TORC1可以在很多組織器官中，從轉(zhuǎn)錄、翻譯和翻譯后水平上調(diào)控多條代謝通路［3］。在淋巴瘤細(xì)胞中，雷帕霉素抑制TORC1活性改變了許多代謝酶基因的表達(dá)，結(jié)合代謝圖譜和基因表達(dá)結(jié)果分析顯示，在培養(yǎng)的細(xì)胞中TORC1調(diào)控著糖酵解、甾醇和脂質(zhì)的合成，另外，磷酸戊糖途徑也受TORC1的調(diào)控［39－40］。大量報(bào)道顯示TORC1可以激活轉(zhuǎn)錄因子固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1（sterol regulatory element binding protein?1，SREBP?1）。SREBP?1是轉(zhuǎn)錄因子固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白家族（SREBPs）的一員，調(diào)控著脂肪合成相關(guān)酶的表達(dá)，以及脂肪和膽固醇的穩(wěn)態(tài)。完整的SREBP?1主要存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，在各種刺激物的作用下，如降低的甾醇、胰島素或者飽和脂肪酸水平，使SREBP?1從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)送到高爾基體，在高爾基體內(nèi)SREBP?1前體被激活。被激活后的SREBP?1進(jìn)而被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核內(nèi)，在細(xì)胞核內(nèi)激活和促進(jìn)甾醇調(diào)節(jié)原件和相關(guān)基因表達(dá)［41］。TORC1通過促進(jìn)SREBP?1轉(zhuǎn)錄、翻譯和翻譯后的加工，使其活性提高，從而誘導(dǎo)甾醇和脂肪的合成，以及磷酸戊糖途徑相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄［39］。由TORC1上調(diào)的SREBP?1活性對(duì)于由Akt磷酸化引起的脂肪合成是必需的［42］。

TORC1也可以促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)因子（hypoxia inducible factor，HIF）基因表達(dá)，這是通過4E?BP1依賴的方式調(diào)控其翻譯［43－44］。HIF可激活100～200個(gè)涉及到細(xì)胞內(nèi)代謝和細(xì)胞適應(yīng)低氧環(huán)境的基因的轉(zhuǎn)錄，且TORC1依賴性的HIF的激活足以上調(diào)這些基因的表達(dá)［39］。HIF?1對(duì)糖酵解途徑的激活被認(rèn)為是低氧代謝適應(yīng)的關(guān)鍵，通過增加葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸鹽進(jìn)而分解為乳酸來(lái)實(shí)現(xiàn)。HIF?1也可以間接激活丙酮酸脫氫酶激酶（PDK1），通過三羧酸循環(huán)（TCA）來(lái)有效抑制代謝過程［45］。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)素變化后，TORC1通過調(diào)節(jié)HIF 和SREBP?1的活性，從而使機(jī)體能量代謝和脂肪合成代謝發(fā)生適應(yīng)性改變。TORC1另一重要功能是，可以調(diào)控線粒體數(shù)量和功能。在小鼠骨骼肌中，缺乏Raptor導(dǎo)致調(diào)控線粒體生物合成酶的表達(dá)量降低，且氧化能力損失，Cunningham等［46］發(fā)現(xiàn)TORC1促進(jìn)了轉(zhuǎn)錄因子PPARγ聯(lián)合激活因子1a（PGC1a）的轉(zhuǎn)錄活性，其在調(diào)節(jié)線粒體合成和氧化代謝方面起重要作用。另外，目前對(duì)于TORC1信號(hào)如何影響和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)的了解仍然很少，仍需要大量的工作。

與TORC1受抑制時(shí)對(duì)相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)一致，S6K1或4E?BPs突變的小鼠表現(xiàn)出極大的代謝改變。S6K1缺失的小鼠由于降低了β細(xì)胞的數(shù)量顯現(xiàn)出低胰島素癥狀，但是同時(shí)也升高了對(duì)胰島素信號(hào)的敏感性［47］。另外，S6K1缺失的小鼠能夠抵抗由飲食和年齡引起的肥胖［48］，盡管攝食量未受影響，S6K1的缺失通過增加甘油三酯的分解阻止了脂肪在脂肪組織的富集，并增加了脂肪酸在脂肪組織和肌肉中的氧化。而4E?BP1和4E?BP2缺失的小鼠表現(xiàn)出相反的表觀癥狀，盡管這些小鼠都正常存活，但與正常野生型小鼠相比在16周的研究時(shí)間內(nèi)，它們明顯肥胖且體重增加30%，這些小鼠脂肪組織的重量顯著升高，且血漿中的胰島素和膽固醇的水平升高，進(jìn)而建立起研究肥胖的模型。

大量研究證明，TOR信號(hào)系統(tǒng)與氨基酸應(yīng)答通路在從酵母到人的不同生物中功能保守，TOR信號(hào)通路上的大部分信號(hào)蛋白，如TOR、S6K1、S6 和4E?BP1，都已經(jīng)在虹鱒上證明是保守性存在的［11，17］。體內(nèi)和體外試驗(yàn)表明胰島素［11］、氨基酸［49］、胰島素和氨基酸［50］、植物蛋白質(zhì)源替代［51］以及碳水化合物和蛋白質(zhì)比例不同的飼糧［17，52］均顯著影響TOR信號(hào)通路和肝臟中的次級(jí)代謝相關(guān)的基因表達(dá)。簡(jiǎn)要來(lái)講，TOR信號(hào)通路和其他相關(guān)因子的響應(yīng)狀況與畜禽和其他高等動(dòng)物中的研究結(jié)果一致。在斑馬魚中的研究結(jié)果表明，餐后TOR通路被激活，飼喂顯著上調(diào)了餐后糖酵解基因［葡萄糖激酶（GK）、己糖激酶（HK1）］和脂肪合成基因［脂肪酸合成酶（FAS）、葡萄糖－6－磷酸脫氫酶（G6PD）、乙酰輔酶A羧化酶α（ACCα）］的表達(dá)，顯著抑制了斑馬魚肝胰臟糖異生基因［磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（cPEPCK）］和脂肪分解途徑關(guān)鍵酶基因［肉堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶1b （CPT1b）］的表達(dá)［53］。而腹腔注射雷帕霉素后，顯著下調(diào)虹鱒脂肪合成和糖酵解途徑關(guān)鍵酶基因的表達(dá)［54］。這表明氨基酸和胰島素依賴的TOR通路的激活或抑制調(diào)控魚體糖脂代謝過程。

2　AAR信號(hào)通路的氨基酸感知與代謝調(diào)節(jié)

2．1 AAR信號(hào)通路與氨基酸應(yīng)答

蛋白質(zhì)缺乏或必需氨基酸缺乏將激活氨基酸應(yīng)答通路［55］。一般來(lái)說，酵母轉(zhuǎn)錄激活因子（GCN）2作為氨基酸感知傳感器，通過與非負(fù)載tRNA結(jié)合從而感知細(xì)胞內(nèi)氨基酸含量，當(dāng)GCN2與任一非負(fù)載轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）結(jié)合均能激活GCN2，從而使AAR信號(hào)通路激活。當(dāng)氨基酸缺乏時(shí)，細(xì)胞內(nèi)空載tRNA增多，使GCN2激酶去磷酸化被激活，進(jìn)而引起eIF2α絲氨酸51位點(diǎn)的磷酸化。eIF2α的磷酸化使體內(nèi)大部分蛋白質(zhì)的合成減少，但也會(huì)通過轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控另一些基因的表達(dá)。轉(zhuǎn)錄激活因子（activating transcription fac?tor，ATF）4就是其中之一，當(dāng)氨基酸缺乏時(shí)上調(diào)其表達(dá)量。ATF4與CCAAT增強(qiáng)子結(jié)合蛋白（CCAAT／enhancer?binding protein，C／EBP）形成二聚體，與C／EBP激活轉(zhuǎn)錄因子應(yīng)答元件（C／EBP activating transcription factor response elements，CARE）結(jié)合，激活大量下游基因轉(zhuǎn)錄，包括氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體、氨基酸代謝酶、氧化狀態(tài)調(diào)節(jié)因子、能量調(diào)節(jié)因子等，從而調(diào)控著細(xì)胞內(nèi)的氨基酸缺乏應(yīng)答［56］。研究發(fā)現(xiàn)，在人肝癌細(xì)胞系（HepG2）細(xì)胞培養(yǎng)液中任何一種必需氨基酸缺乏都可以激活A(yù)AR信號(hào)通路［57］。另外，eIF2α的磷酸化也是會(huì)提高其他轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子水平，包括轉(zhuǎn)錄因子ATF5以及生長(zhǎng)停滯與DNA損害可誘導(dǎo)基因34 （GADD34）。

最重要的是當(dāng)必需氨基酸缺乏時(shí)，ATF4可以誘導(dǎo)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體和氨基酸合成酶基因的表達(dá)，從而促進(jìn)氨基酸的合成與吸收，保證正常的生理機(jī)能。ATF4還可上調(diào)其他基因轉(zhuǎn)錄，如C／EBPβ、ATF3和C／EBP同源蛋白（CHOP），這些可以作為ATF4的負(fù)調(diào)節(jié)因子［56，58］。在動(dòng)物中，飼喂低蛋白質(zhì)的飼糧會(huì)增加C／EBP mRNA表達(dá)量和活性［59］。細(xì)胞感知多種脅迫信號(hào)均可上調(diào)ATF3的表達(dá)［60］。Pan等［61］和Jiang等［62］發(fā)現(xiàn)ATF3基因的表達(dá)量受氨基酸應(yīng)答和UPR通路的上調(diào)，這些調(diào)節(jié)分別需要eIF2α激酶GCN2和蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶（PERK）。在GCN2敲除［62］和ATF4敲除［63］的纖維母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，ATF3 mRNA表達(dá)量顯著降低。在營(yíng)養(yǎng)缺乏情況下，AAR信號(hào)通路的激活對(duì)癌細(xì)胞存活和增殖有至關(guān)重要的作用［64］。關(guān)于ATF4調(diào)控的下游目的基因及其具體功能在Kilberg等［56］的綜述中有詳盡的描述。另外，受AAR調(diào)節(jié)的下游基因4E?BP1和發(fā)育和DNA損傷應(yīng)答調(diào)節(jié)基因1（regulated in develop?ment and DNA damage response 1，REDD1）均為TOR信號(hào)應(yīng)答通路的負(fù)調(diào)節(jié)因子，且2條信號(hào)通路均可通過調(diào)節(jié)ATF4的表達(dá)來(lái)而調(diào)控合成代謝，說明在營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)改變時(shí)，2條信號(hào)通路共同作出應(yīng)答使機(jī)體處于最優(yōu)生長(zhǎng)狀態(tài)［65－67］。

2．2 AAR信號(hào)通路與代謝調(diào)控

氨基酸的不平衡不僅可以調(diào)控氨基酸代謝，而且會(huì)對(duì)糖脂代謝造成顯著影響。當(dāng)必需氨基酸缺乏時(shí)，GCN2是蛋白質(zhì)和脂肪代謝過程中關(guān)鍵的代謝調(diào)節(jié)因子［68－69］。氨基酸缺乏會(huì)激活A(yù)AR信號(hào)通路，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)大多數(shù)蛋白質(zhì)的翻譯起始受抑制，從而抑制體內(nèi)大部分蛋白質(zhì)的翻譯［63］。GCN2作為氨基酸缺乏時(shí)的感受器能夠感知任何一種必需氨基酸的缺乏，eIF2α磷酸化抑制細(xì)胞內(nèi)大多數(shù)蛋白質(zhì)的翻譯起始，從而降低整體蛋白質(zhì)合成。因此，GCN2能夠確保維持生長(zhǎng)和細(xì)胞功能的最低氨基酸量；同時(shí)，eIF2α可以調(diào)節(jié)特異基因的翻譯。在酵母中研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子GCN4的翻譯可促進(jìn)一系列基因的表達(dá)，包括所有的氨基酸合成酶、氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體，以使酵母抵抗氨基酸缺乏應(yīng)激［70］。AAR信號(hào)通路可以保證足夠的氨基酸前體的供應(yīng)，從而使機(jī)體在必需氨基酸缺乏時(shí)維持關(guān)鍵蛋白的合成。同酵母一致，哺乳動(dòng)物對(duì)氨基酸缺乏也有一套應(yīng)答機(jī)制［71］，包括提高氨基酸合成酶和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體的表達(dá)量，同時(shí)降低整體蛋白質(zhì)的合成。敲除GCN2基因的小鼠當(dāng)飼喂氨基酸平衡的飼糧時(shí)可以正常存活，但當(dāng)飼喂氨基酸不平衡的飼糧時(shí)發(fā)育受損。敲除GCN2的細(xì)胞，在氨基酸缺乏狀態(tài)下，不能使eIF2α磷酸化［67，72］。

除調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的翻譯外，AAR信號(hào)通路還可調(diào)節(jié)機(jī)體脂肪代謝。Guo等［68］發(fā)現(xiàn)飼糧缺乏亮氨酸后影響了小鼠脂質(zhì)代謝過程：當(dāng)亮氨酸缺乏時(shí)，小鼠肝臟和脂肪組織中甘油三酯的合成受抑制；但敲除GCN2基因的小鼠攝食亮氨酸缺乏的飼糧后肝臟脂肪合成升高，且出現(xiàn)脂肪肝，同時(shí)，小鼠脂肪組織中的脂肪氧化降解降低；然而，繼續(xù)敲除轉(zhuǎn)錄因子固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c（sterol regula?tory element binding protein?1c，SREBP?1c）后肝臟甘油三酯的積累降低，與同窩野生型小鼠差異不顯著。在HepG2細(xì)胞中的研究結(jié)果與之一致，當(dāng)細(xì)胞培養(yǎng)液中缺乏亮氨酸時(shí)抑制了脂肪的合成［57］。另外，敲除ATF4基因的小鼠能夠抵抗高脂飲食誘導(dǎo)肥胖與脂肪肝［73］。給小鼠飼喂賴氨酸和蘇氨酸缺乏的小麥面筋會(huì)引起膽固醇合成的降低；給小鼠飼喂完全不含蛋白質(zhì)的飼糧時(shí)也會(huì)導(dǎo)致這些基因表達(dá)量的降低［74］；同時(shí)，飼喂這2種飼糧的組中小鼠血漿膽固醇含量也均降低。以上研究均證明飼糧必需氨基酸缺乏顯著影響脂肪合成，即飼糧中氨基酸的含量會(huì)影響到體內(nèi)非蛋白質(zhì)類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡。

2．3 AAR信號(hào)通路與攝食調(diào)控

當(dāng)以某一種必需氨基酸缺乏的飼糧飼喂動(dòng)物時(shí)，這種不平衡會(huì)很快被動(dòng)物體所識(shí)別并降低攝食量。事實(shí)上，血漿中的氨基酸缺乏是和攝食量的降低直接聯(lián)系起來(lái)的，研究還發(fā)現(xiàn)大腦的前梨狀皮質(zhì)區(qū)域可以監(jiān)測(cè)到蛋白質(zhì)的質(zhì)量或者氨基酸的平衡性［75－76］。氨基酸應(yīng)答通路對(duì)攝食量的調(diào)控方式為：氨基酸不平衡時(shí)缺乏的氨基酸相應(yīng)tRNA出現(xiàn)去乙?；せ頖CN2激酶，進(jìn)而磷酸化轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)因子eIF2α，引起攝食量下調(diào)、抑制蛋白質(zhì)合成［77］。GCN2有非常保守的、調(diào)控氨基酸平衡的功能，在酵母中它通過調(diào)控氨基酸合成而獲得氨基酸平衡；在哺乳動(dòng)物和畜禽中是通過調(diào)控?cái)z食行為進(jìn)行。在饑餓的動(dòng)物中，GCN2通過抑制蛋白質(zhì)合成從而減少肌肉重量［78］。對(duì)GCN2敲除小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，大腦對(duì)氨基酸不平衡的識(shí)別需要GCN2感知細(xì)胞內(nèi)空載tRNA的量［79］。ATF4敲除的成纖維細(xì)胞和肝癌細(xì)胞中的微陣列分析顯示ATF4調(diào)控著大量的和氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝、氧化狀態(tài)和能量調(diào)控相關(guān)的基因［63，80］。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，給GCN2敲除小鼠飼喂亮氨酸缺乏的飼糧會(huì)導(dǎo)致其肌肉生長(zhǎng)受損，但是并未引起肝臟損傷，而在野生小鼠中，亮氨酸的缺乏同時(shí)降低了肌肉和肝臟的重量［67］。

3　小 結(jié)

氨基酸可以作為信號(hào)傳導(dǎo)通路的調(diào)節(jié)因子引起信號(hào)通路應(yīng)答，從而調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白的翻譯與糖脂代謝過程，盡管其在哺乳動(dòng)物中有較深入的研究，但是在水產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)領(lǐng)域中仍是一個(gè)較新的概念。尤其對(duì)于肉食性魚類，氨基酸不平衡問題是限制魚粉蛋白質(zhì)源替代研究的一個(gè)主要原因，因此深入探究其機(jī)制將對(duì)魚類飼料中非魚粉蛋白質(zhì)源的大量應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用。另外，盡管TOR信號(hào)通路與代謝調(diào)節(jié)在魚類中有部分研究，而AAR信號(hào)通路在魚類營(yíng)養(yǎng)研究中未見相關(guān)報(bào)道。因此氨基酸與胰島素、氨基酸本身，尤其是必需氨基酸對(duì)魚類AAR和TOR信號(hào)通路的調(diào)節(jié)作用與響應(yīng)閾值，以及對(duì)糖脂代謝的調(diào)控機(jī)制有待深入研究。

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（責(zé)任編輯 菅景穎）

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Advances in Amino Acid Sensing and Metabolic Regulation

XU Dandan HE Gen?
（Key Laboratory of Aquaculture Nutrition and Feeds of Ministry of Agriculture，Key Laboratory of Mariculture of Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266003，China）

?Corresponding author，professor，E?mail：hegen＠ouc．edu．cn

Abstract：Amino acids，considered as the important building blocks for the synthesis of protein and other nitro?gen compounds，have recently shown to act as modulators of intracellular signal transduction pathways．To a?dapt to intracellular amino acid deprivation，multiple adaptive mechanisms have evolved，including a quick ces?sation of new protein synthesis，an increase in amino acid transport and biosynthesis，and autophagy．Evidence has accumulated that amino acids also function as signal molecule which profound effects on regulation of cell signaling and gene expression．Metabolic adaptation including lipid and energy metabolism is required to cope with episodes of protein or amino acids available leading to overall metabolic changes in multicellutar organ?isms．Here，the current knowledge about the mechanisms of intracellular amino acid sensing and response，in?volving in the amino acid response（AAR）pathway and the target of rapamycin（TOR）signaling pathway，and how these two pathways regulate downstream nutrients metabolism were reviewed．［Chinese Journal of Animal Nutrition，2015，27（2）：342?351］

Key words：amino acid sensing；TOR；AAR；metabolism

通信作者：?何 艮，教授，博士生導(dǎo)師，E?mail：hegen＠ouc．edu．cn

作者簡(jiǎn)介：許丹丹（1986—），女，山東棗莊人，博士研究生，從事水產(chǎn)動(dòng)物蛋白質(zhì)代謝研究。E?mail：dandxu2008＠163．com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（31222055）；國(guó)家973計(jì)劃（2014CB138602）

收稿日期：2014－08－13

doi：10．3969／j．issn．1006?267x．2015．02．003

文章編號(hào)：1006?267X（2015）02?0342?10

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：Q493；S968．1