Sestrin-mTOR信號(hào)通路在有氧運(yùn)動(dòng)改善機(jī)體糖代謝過(guò)程中的作用研究進(jìn)展

黃嵩 傅力

天津醫(yī)科大學(xué)生理學(xué)與病理生理學(xué)系（天津 300070）

Sestrins（Sesns）是一組進(jìn)化上高度保守的應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白，可由缺氧、饑餓、基因毒性應(yīng)激、DNA損傷、氧化應(yīng)激等多種因素誘導(dǎo)產(chǎn)生[1]。無(wú)脊椎動(dòng)物的Sesns基因只有一個(gè)同系物，而有脊椎動(dòng)物則有三個(gè)同系物，包括Sesn1、Sesn2和Sesn3[2]。哺乳動(dòng)物中的Sesn1最初被稱為p53活化基因26（PA26），由Velasco-Miguel等人于1999年研究p53基因靶物時(shí)首次發(fā)現(xiàn)并分離提純[3]。Sesn2則是隨后被發(fā)現(xiàn)的 PA26類似物，最初被稱為低氧誘導(dǎo)基因 95（Hi95），而作為抑癌基因 p53的靶物，Sesn1和Sesn2在細(xì)胞自噬和發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用[4,5]。Sesn3受叉頭盒轉(zhuǎn)錄因子家族成員FoxO（forkhead box O,FoxO）的調(diào)節(jié)，它可以通過(guò)激活mTORC2-AKT信號(hào)通路來(lái)增強(qiáng)肝臟的胰島素敏感性[6]。前期研究表明Sestrins可降低細(xì)胞內(nèi)氧化自由基（reactive oxygen species,ROS）水平而起到抗氧化和保護(hù)細(xì)胞的作用[2]。另一方面 Sestrins也可抑制mTORC1 的活性[7]。

哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin,mTOR）是一組絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，以 mTORC1和mTORC2兩種形式存在于細(xì)胞內(nèi)，其中mTORC1對(duì)雷帕霉素敏感，而mTORC2對(duì)雷帕霉素不敏感。mTORC1是細(xì)胞內(nèi)感受生長(zhǎng)因子、氧化應(yīng)激和能量水平變化等各種應(yīng)激因素的主要調(diào)節(jié)器，而mTORC1刺激能增加 p70核糖體蛋白 S6激酶（p70 ribosomal protein S6 kinase,S6K1）和 4E-結(jié)合蛋白1（4E-binding protein 1,4E-BP1）的磷酸化，最終引起細(xì)胞蛋白質(zhì)和脂質(zhì)合成增加、促進(jìn)細(xì)胞增殖和生長(zhǎng)[8]。有研究表明，mTOR信號(hào)通路的持續(xù)性激活與肥胖、癌癥、糖尿病等疾病有關(guān)[9]。營(yíng)養(yǎng)過(guò)?？梢餸TORC1激活，而mTORC1和 p70S6K信號(hào)通路的慢性激活能引起胰島素受體底物-1（insulin receptor substrate-1,IRS-1）的反饋抑制，進(jìn)而引起IR[10]。Budanov等人研究表明Sestrins可抑制mTORC1活性[7]，而我們的前期研究也證明長(zhǎng)期有氧運(yùn)動(dòng)能顯著增加Sestrin2和Sestrin3的表達(dá)[11]，因此推測(cè)Sestrins-mTOR通路在運(yùn)動(dòng)維持機(jī)體糖代謝穩(wěn)態(tài)、保護(hù)細(xì)胞和機(jī)體免受糖代謝異常影響過(guò)程中可能發(fā)揮重要作用。

1 Sestrins-mTOR通路的調(diào)控

1.1 Sestrins通過(guò)AMPK調(diào)控mTORC1

許多在體和離體的Sestrin2基因沉默或特異性敲除實(shí)驗(yàn)顯示，在包括肝臟在內(nèi)的多種組織中，Sestrin2組織特異性敲除可引起mTOR信號(hào)通路的持續(xù)激活，而mTOR-p70S6K信號(hào)通路的持續(xù)激活和肥胖、糖尿病等糖代謝穩(wěn)態(tài)失調(diào)有關(guān)。最早探尋Sestrins調(diào)節(jié)mTORC1機(jī)制的Budanov等人認(rèn)為該調(diào)節(jié)依賴于AMPK（AMP-activated kinase）[7]。AMPK作為一種異源三聚體蛋白激酶，是機(jī)體內(nèi)重要的能量感受器，可受饑餓、ATP產(chǎn)生減少、AMP/ATP比值升高等細(xì)胞能量減少狀態(tài)和其他應(yīng)激因素的誘導(dǎo)產(chǎn)生，而其活性增加可負(fù)性調(diào)節(jié) mTORC1的活性。Budanov等發(fā)現(xiàn)，Sestrin1和Sestrin2可激活 AMPK并通過(guò) AMPK增強(qiáng) TSC2（tuberous sclerosis complex 2）的磷酸化，從而增強(qiáng)TSC2 的 GAP（GTPase-activating protein）活性[7]。而 Rheb作為激活 mTORC1活性的重要 GTP酶（GTPase），TSC2的 GAP活性增強(qiáng)則能引起對(duì) Rheb的抑制，進(jìn)而抑制 mTORC1活性，因此 Sestrins可通過(guò) AMPK-TSC2途徑抑制 mTORC1活性。為支持這一觀點(diǎn)，Budanov等人通過(guò)使用 Compound C（AMPK拮抗劑）和shRNA對(duì) AMPK進(jìn)行抑制后發(fā)現(xiàn)AMPK活性抑制可使 Sestrins對(duì) mTORC1的抑制作用減弱[7]。有趣的是，一項(xiàng)關(guān)于 Compound C的研究發(fā)現(xiàn)，Compound C對(duì)AMPK的抑制可通過(guò)促使線粒體ROS產(chǎn)生和堆積來(lái)上調(diào)Sestrin2的表達(dá)[12]。

另外，Lee等人的實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，在 Sestrin2基因敲除小鼠（Sestrin2-/-）體內(nèi)，肥胖誘導(dǎo)的IR和糖尿病進(jìn)展加速，且小鼠肝臟和脂肪組織對(duì)胰島素的反應(yīng)性顯著降低[13]。而在基因誘導(dǎo)性肥胖小鼠（Lepob/ob）中，Sestrin2敲除小鼠（Sestrin2-/-/Lepob/ob）和對(duì)照組小鼠（Sestrin2+/-/Lepob/ob）相比，前者肝臟中代表 mTORC1活性的 mTOR-Ser2481位點(diǎn)磷酸化水平升高，表明Sestrin2的缺失引起 mTORC1活性的增強(qiáng)[13]。為進(jìn)一步探究 AMPK的作用，Lee等人在Sestrin2基因敲除小鼠中通過(guò)使用AICAR（AMPK激動(dòng)劑）或持續(xù)表達(dá)活性AMPK的腺病毒（Ad-AMPKCA）來(lái)提高AMPK的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)Sestrin2基因敲除小鼠的血糖水平有所降低[13]，這進(jìn)一步支撐了AMPK是Sestrins調(diào)控代謝穩(wěn)態(tài)的重要下游靶物的概念。因而Sestrins可通過(guò)AMPK來(lái)抑制mTORC1的活性。

1.2 Sestrins-Rags復(fù)合物-GATOR-mTORC1

根據(jù)之前的研究結(jié)果，mTORC1可通過(guò)Rheb（Ras homolog enriched in brain） 和 Rag（Ras-like small GTPases）這兩個(gè)GTP酶亞家族成員來(lái)感受包括生長(zhǎng)因子和營(yíng)養(yǎng)素在內(nèi)的多種因素的刺激，從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)合成和細(xì)胞生長(zhǎng)[14,15]。目前已知RagA或RagB可與RagC或RagD組成異源二聚體Rags復(fù)合物，其中RagA與RagB、RagC與RagD互為同系物。當(dāng)機(jī)體感受營(yíng)養(yǎng)素刺激如氨基酸時(shí)，RagA/BGTP-RagC/DGDP復(fù)合物可募集mTORC1并使其轉(zhuǎn)位到溶酶體，進(jìn)而通過(guò)GTP結(jié)合狀態(tài)的Rheb刺激mTORC1激活。Peng等人的研究認(rèn)為，Sestrins可作為鳥(niǎo)嘌呤核苷酸解聯(lián)抑制劑（guanine nucleotide dissociation inhibitor,GDI），通過(guò)與RagA/B-RagC/D直接結(jié)合而對(duì)RagA/B起抑制作用，進(jìn)而抑制mTORC1的活性[16]。然而，Kim等人和Saxton等人關(guān)于人Sesn2晶體結(jié)構(gòu)的研究則發(fā)現(xiàn)，Sestrins和GDI蛋白并無(wú)結(jié)構(gòu)上的同源性[17,18]。且Sestrins和Rag A/B之間的直接相互作用在其他后續(xù)實(shí)驗(yàn)中并未得到證實(shí)[17，19]，因而關(guān)于 Sestrins是否直接結(jié)合 Rags復(fù)合物進(jìn)而抑制mTORC1，仍有待進(jìn)一步深入研究。

另一方面，Parmigiani等人的研究發(fā)現(xiàn)，在AMPKα 1敲除（AMPKα1-/-）小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（mouse embryonic fibroblasts,MEF）中，Sestrin2仍能以AMPK非依賴性方式來(lái)抑制mTORC1活性[20]。他們利用質(zhì)譜儀對(duì)轉(zhuǎn)染了SBP-Flag-Sesn2的人類乳腺上皮細(xì)胞MCF10A中含有Sestrin2的多種蛋白復(fù)合物進(jìn)行純化分析后發(fā)現(xiàn)，這些蛋白質(zhì)中含有GATOR2的蛋白成分，包括Mios、WDR59、WDR24、Seh1L和Sec13。在此之后，他們進(jìn)一步利用抗Flag標(biāo)簽磁珠對(duì)Flag-Sesn2和GATOR1/2成分進(jìn)行免疫共沉淀后發(fā)現(xiàn)，GATOR2的全部蛋白成分而非GATOR1，都和Flag-SESN2形成了共沉淀，提示GATOR2和Sestrin2的結(jié)合[20]。根據(jù)B.Peled等人的研究結(jié)果，GATOR2能夠與GATOR1結(jié)合而抑制GATOR1的活性，而GATOR1則是Rag A/B的GAP[21]。Parmigiani等進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)GATOR1的沉默破壞掉了Sestrin2對(duì)p70S6K磷酸化的抑制[20]，因而提出Sestrin2能以GATOR依賴性方式抑制mTORC1。以上研究成果表明，Sestrin2能結(jié)合GATOR2而解除GATOR2對(duì)GATOR1的抑制，進(jìn)而激活GATOR1來(lái)抑制Rag復(fù)合物，最終抑制mTORC1的活性，而這種方式是AMPK非依賴性的。

1.3 Sestrins的氨基酸感受器作用

Sestrins除了通過(guò)Rag復(fù)合物和GATOR蛋白來(lái)抑制mTORC1活性以外，還可以參與氨基酸（amino acids,AA）的信號(hào)通路，最近的研究表明Sestrins可以與Rag A/B GTP酶或者GATOR2復(fù)合物直接作用而調(diào)節(jié)氨基酸刺激的mTORC1的活性[20]。在去AA培養(yǎng)基孵育的細(xì)胞中，mTORC1產(chǎn)生了從溶酶體向細(xì)胞基質(zhì)的重新分布，而Sestrin2的異位達(dá)則能起到和AA剝奪一樣的作用，即阻止mTORC1轉(zhuǎn)位到溶酶體及其后續(xù)的激活。在重新給予AA后，對(duì)照組細(xì)胞p70S6K的磷酸化有所恢復(fù)，但是持續(xù)表達(dá)Sesn2的HEK293T細(xì)胞和H1299細(xì)胞則不能恢復(fù)p70S6K的磷酸化，且經(jīng)過(guò)AA饑餓的細(xì)胞，其Sestrin2-GATOR2復(fù)合物變得不穩(wěn)定，這些都表明Sestrin2可以干預(yù)AA刺激的mTORC1的激活[20]。Wolfson等人的研究[22]也表明，hSesn2可以在Kd=20 μM的情況下直接結(jié)合亮氨酸，且亮氨酸與hSesn2結(jié)合后會(huì)改變hSesn2的熔點(diǎn)，進(jìn)而阻止hSesn2結(jié)合到GSTOR2上?；谶@些發(fā)現(xiàn)，Wolfson等人認(rèn)為Sestrin2可以作為亮氨酸感受器，AA與Sestrins的結(jié)合使得Sestrins-GATOR2復(fù)合物不穩(wěn)定，從而削弱Sestrins對(duì)mTORC1的抑制作用，而Sestrins僅能在缺乏亮氨酸的情況下才能結(jié)合GATOR2[22]。不過(guò)與此相矛盾的是，在Kim和Parmigiani的研究中，用含有亮氨酸300～800 μM的傳統(tǒng)培養(yǎng)基所培養(yǎng)的細(xì)胞中，其Sestrin2-GATOR2復(fù)合物依然穩(wěn)定存在[19,20]，而300～800 μM的亮氨酸濃度則遠(yuǎn)高于理論上hSesn2從GATOR2上解離時(shí)的Kd（Kd=20 μM）。因此，亮氨酸對(duì)Sestrin2的效應(yīng)可能取決于不同的生理?xiàng)l件。

1.4 Sestrins-mTORC2-AKT信號(hào)通路

mTORC2 復(fù)合物由 mTOR、Deptor、mLST8、Tti1/Tel2、Rictor（rapamycin-insensitive companion of mammalian target of rapamycin）、Sin1和Protor1/2組成，而Rictor則是mTORC2組成成分中必不可少的調(diào)節(jié)性亞基。Kumar和他的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立脂肪細(xì)胞特異性Rictor敲除小鼠（FRic-/-）發(fā)現(xiàn)，Rictor缺陷小鼠的脂肪細(xì)胞阻礙了胰島素刺激的AKT在Ser473位點(diǎn)的磷酸化，并使得下游靶物如FoxO3和T32等的磷酸化受損，而該通路受損使得胰島素刺激的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4（Glut4）轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜的水平下降，從而導(dǎo)致糖攝取減少[23]，提示Rictor/mTORC2在維持全身糖穩(wěn)態(tài)和改善骨骼肌IR中的潛在作用。在研究Sestrins功能的過(guò)程中，Lee等人發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)細(xì)胞和小鼠體內(nèi)，Sestrins能增加mTORC2依賴的AKT的磷酸化[13]。Tao等人的研究發(fā)現(xiàn)，Sesn3的過(guò)表達(dá)能分別引起Rictor-mTORC2復(fù)合物的增加和Raptor-mTORC1復(fù)合物的減少，提示Sestrin3可以通過(guò)mTORC2的調(diào)節(jié)性亞基Rictor結(jié)合并激活mTORC2，然后刺激AKT在Ser473位點(diǎn)的磷酸化[6]。綜合Lee和Tao的研究[6，13]，Sestrins可以在培養(yǎng)細(xì)胞、小鼠以及果蠅中上調(diào)mTORC2依賴的AKT磷酸化，從而通過(guò)mTORC2-AKT通路維持糖穩(wěn)態(tài)。而另一項(xiàng)研究則認(rèn)為Sestrins誘導(dǎo)的TSC1：TSC2復(fù)合物的激活也能夠以mTORC1非依賴性的方式激活mTORC2[24]。

而Sestrins調(diào)節(jié)mTORC2-AKT信號(hào)通路的作用對(duì)于改善機(jī)體IR和糖尿病則至關(guān)重要，因?yàn)閷?duì)Sestrin2和Sestrin3基因雙敲除小鼠實(shí)驗(yàn)表明，Sestrins缺陷可以引起mTORC1信號(hào)通路的超活化，同時(shí)使AKT通路活性降到最低并引起自發(fā)的IR[13]。此外，在一項(xiàng)研究mTORC2在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)骨骼肌糖攝取作用的實(shí)驗(yàn)中[25]，研究人員首次發(fā)現(xiàn)小鼠在運(yùn)動(dòng)時(shí)其骨骼肌細(xì)胞內(nèi)mTORC2活性增加，且骨骼肌特異性敲除 Rictor小鼠（敲除Rictor后mTORC2活性喪失）和對(duì)照組相比，其運(yùn)動(dòng)中骨骼肌葡萄糖攝取能力下降，這與Kumar等人的研究結(jié)果相一致[23]。因此Sestrin2-mTORC2-AKT信號(hào)通路對(duì)于運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)糖代謝具有潛在作用，而關(guān)于Sestrin2如何上調(diào)mTORC2，目前認(rèn)為Sestrins可能通過(guò)多種機(jī)制提高mTORC2的活性，所以未來(lái)仍需要對(duì)此做深入研究。

2 Sestrins-mTOR在運(yùn)動(dòng)改善糖代謝中的作用

如前文所述，mTOR的兩種活性形式mTORC1/2都參與了糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)：一方面，mTORC1-p70S6K信號(hào)通路的過(guò)度激活能引起對(duì)IRS-1的反饋抑制，從而引發(fā)IR；另一方面，mTORC2-AKT信號(hào)通路對(duì)于維持胰島素刺激的骨骼肌糖攝取有重要作用。而Sestrins對(duì)mTORC1的抑制和對(duì)mTORC2的上調(diào)在運(yùn)動(dòng)改善糖代謝中的重要作用更是被廣泛觀察到。我們實(shí)驗(yàn)室之前的研究證實(shí)，在給予正常飲食和高脂飲食喂養(yǎng)的小鼠中，長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)能顯著增加骨骼肌細(xì)胞自噬（autophagy）水平和Sestrin2/3的表達(dá)[11]，從而改善IR。Rivas等人發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過(guò)4周運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后的大鼠體內(nèi)，高脂飲食（high-fat diet,HFD）誘導(dǎo)的mTOR激活和骨骼肌IR發(fā)生逆轉(zhuǎn)[26]。此外，Maiuri等人的研究也發(fā)現(xiàn)Sesn2能通過(guò)抑制mTOR來(lái)上調(diào)自噬水平[27]。與之相符合的是，我們實(shí)驗(yàn)室 Li等人在另一項(xiàng)研究中也證明 Sestrins-AMPK-mTORC1通路能增加骨骼肌細(xì)胞自噬，且運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的Sestrin2上調(diào)和Sestrin2誘導(dǎo)的自噬均通過(guò)AMPK的激活來(lái)改善高脂誘導(dǎo)的胰島素信號(hào)受損模型[28]。另一方面，Brandt等人觀察到 mTORC2能參與白介素抑制因子（leukemia inhibitory factor,LIF）刺激的骨骼肌糖攝取[29]。在另一項(xiàng)關(guān)于mTORC2的研究中，Kleinert等闡明運(yùn)動(dòng)能上調(diào)mTORC2的表達(dá)，且在運(yùn)動(dòng)中Rictor/mTORC2缺陷的小鼠其胰島素刺激的葡萄糖攝取受損[25]。而 Tao等人也發(fā)現(xiàn)Sesn2和Sesn3能結(jié)合Rictor來(lái)直接促進(jìn)mTORC2的催化活性[6]，提示Sestrins上調(diào)mTORC2-AKT信號(hào)通路。

綜上所述，運(yùn)動(dòng)可增加Sestrins的表達(dá)，而Sestrins可通過(guò)激活A(yù)MPK、與Rag復(fù)合物結(jié)合、調(diào)節(jié) GATOR復(fù)合物、感受氨基酸水平等方式來(lái)抑制mTORC1的活性，并上調(diào)mTORC2-AKT通路的活性來(lái)改善IR和胰島素刺激的葡萄糖攝取。因此，Sestrins-mTOR通路在運(yùn)動(dòng)改善機(jī)體糖代謝過(guò)程中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。

3 小結(jié)

隨著肥胖和T2DM的發(fā)病率逐年增高，如何預(yù)防和治療IR和T2DM已經(jīng)成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)界的研究熱點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)作為改善機(jī)體能量代謝的有效方式，其在防治IR方面的重要作用也越來(lái)越受關(guān)注。現(xiàn)已明確，運(yùn)動(dòng)能夠增加應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白Sestrins的表達(dá)，而SestrinsmTOR通路在介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)改善糖代謝過(guò)程中具有潛在的治療作用。因此，未來(lái)研究應(yīng)關(guān)注運(yùn)動(dòng)通過(guò)SestrinsmTOR通路改善組織細(xì)胞葡萄糖代謝的機(jī)制，為將運(yùn)動(dòng)作為預(yù)防疾病、促進(jìn)健康的手段提供理論依據(jù)。