細(xì)胞代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

江 彬，趙文濤，歐陽聰，王慧慧，張鳳瓊，趙國輝，曹婷艷，李勤喜

(廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，細(xì)胞應(yīng)激生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361102)

細(xì)胞是生命活動的基本單位，必須要進(jìn)行一系列生物學(xué)活動才能發(fā)揮正常的功能，如生長、分裂、運(yùn)動、分泌、細(xì)胞間交流等，而這些活動的基礎(chǔ)就是物質(zhì)和能量的交換.細(xì)胞是通過化學(xué)反應(yīng)來獲取物質(zhì)和能量的，這些化學(xué)反應(yīng)構(gòu)成了很多代謝通路，不同的通路之間通過交叉對話構(gòu)成了復(fù)雜的細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)(物質(zhì)和能量代謝)[1].

為了方便理解和學(xué)習(xí)，可將組成代謝網(wǎng)絡(luò)的代謝通路分為合成代謝和分解代謝.兩者是密不可分的，很多代謝通路隨著細(xì)胞生理狀態(tài)的變化有時擔(dān)任合成代謝的任務(wù)，有時又扮演分解代謝的角色，這類代謝通路稱為兩用代謝通路，如糖酵解和三羧酸(tricarboxylic acid,TCA)循環(huán).不同器官在合成和分解代謝的調(diào)控上密切配合，如當(dāng)機(jī)體處于長期饑餓狀態(tài)且肝糖原消耗殆盡的情況下，肝臟會通過糖異生途徑(糖酵解的逆反應(yīng))生成葡萄糖，分泌到血液中供大腦等肝外組織利用，而這些組織則可以通過糖酵解為其提供能量.雖然細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)異常復(fù)雜，但是仍有規(guī)律可循.對高等需氧生物而言，其能量提供主要是通過三大營養(yǎng)物質(zhì)(糖、脂類和蛋白質(zhì))的分解代謝而實(shí)現(xiàn)的.糖酵解、TCA循環(huán)、氧化磷酸化等重要的代謝通路稱為核心代謝通路.

為了適應(yīng)不斷變化的外部環(huán)境，機(jī)體必須隨時相應(yīng)地調(diào)節(jié)細(xì)胞的生物學(xué)活動，而機(jī)體對細(xì)胞生物學(xué)活動的調(diào)節(jié)則基于其對細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控.通過調(diào)節(jié)使細(xì)胞的能量狀態(tài)在正常生理情況下始終處于一定范圍內(nèi)的動態(tài)平衡，即為細(xì)胞能量代謝的穩(wěn)態(tài).需要說明的是，能量代謝始終伴隨著物質(zhì)代謝，二者不可孤立，所謂的“能量代謝”只是從能量的角度考察代謝及其調(diào)控.

細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài)的維持有賴于機(jī)體和細(xì)胞之間及細(xì)胞內(nèi)部多層次、多方位的立體調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，即細(xì)胞代謝信號網(wǎng)絡(luò).該網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，包括內(nèi)分泌系統(tǒng)(如胰島素、胰高血糖素、腎上腺素、脂肪因子、胃腸激素、甲狀腺素等)[2-3]、各種生長因子信號通路(如胰島素、表皮生長因子等)[2-3]、抑癌因子(如p53)[4]、致癌因子(如雷帕霉素機(jī)制性靶蛋白(mechanistic target of rapamycin,mTOR)、缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor-1α，HIF-1α)、細(xì)胞源性的骨髓細(xì)胞瘤病毒癌基因(cellular-myelocytomatosis viral oncogene, c-MYC)等)[5]及細(xì)胞能量水平調(diào)節(jié)的核心分子單磷酸腺苷激活的蛋白激酶(adenosine monophasphate-activated protein kinase, AMPK)等[1].細(xì)胞內(nèi)各代謝通路之間既分工明確、各司其職，又相互依賴、相互制約、協(xié)調(diào)統(tǒng)一，這樣才能維持細(xì)胞代謝的穩(wěn)態(tài).

1 激素對機(jī)體代謝的調(diào)節(jié)

神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)起著調(diào)節(jié)各器官的功能、合理分配能量供應(yīng)的作用.內(nèi)分泌系統(tǒng)由內(nèi)分泌腺組成，內(nèi)分泌腺包括下丘腦、垂體、胰腺、腎上腺等.內(nèi)分泌腺分泌激素，激素進(jìn)入血液被運(yùn)送到靶器官，在靶器官的細(xì)胞表面或細(xì)胞核內(nèi)與其特異性受體結(jié)合后啟動細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的能量代謝及生命活動.肝臟是機(jī)體能量代謝的核心器官(三大營養(yǎng)物質(zhì)都在肝臟進(jìn)行代謝轉(zhuǎn)化)，在能源物質(zhì)的儲存、處理、加工及能量分配中起重要作用.大腦是機(jī)體的一個重要的耗能器官，神經(jīng)元主要以葡萄糖或β-羥基丁酸(酮體的組成之一)為燃料.近年來有研究表明大腦也可以利用乳酸作為燃料[6].由于肝臟、骨骼肌及脂肪組織在能量的儲存、分配及利用中起關(guān)鍵作用，三大營養(yǎng)物質(zhì)在這些組織中的代謝受內(nèi)分泌系統(tǒng)的嚴(yán)格調(diào)控[2].調(diào)控代謝的激素很多，因篇幅限制，本文只討論胰島素、胰高血糖素和腎上腺素對代謝的調(diào)節(jié)作用.

1.1 胰島素

在正常生理狀態(tài)下，人體血糖維持在60～90 mg/mL(3.33～5 mmol/L)才能保證各器官的正常功能，血糖過高或過低都會導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病，甚至死亡.胰島素和胰高血糖素在維持血糖的穩(wěn)態(tài)中起重要作用.胰島素是由胰島β細(xì)胞分泌的一種激素，其主要作用是在機(jī)體進(jìn)食后促進(jìn)糖的儲存和利用，從而降低血糖，維持血糖的穩(wěn)態(tài).進(jìn)食后胰島β細(xì)胞內(nèi)三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)水平升高，使K+外流，細(xì)胞去極化，進(jìn)而引起Ca2+內(nèi)流，導(dǎo)致胰島素的分泌[7].此外，進(jìn)食后從腸道分泌的腸促胰島素可刺激胰島素分泌，有研究表明其引起的胰島素分泌能力約占全部胰島素分泌量的50%～70%[8].葡萄糖依賴性促胰島素多肽(glucose-dependent insulinotropic polypeptide,GIP)和胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide 1,GLP-1)是攝入各種營養(yǎng)素后從腸道分泌的兩種主要腸促胰島素激素，以葡萄糖濃度依賴的方式刺激胰腺β細(xì)胞分泌胰島素[9].GIP和GLP-1被二肽基肽酶-4(dipeptidyl peptidase-4,DPP-4)降解，并迅速失去其生物活性[10].GIP和GLP-1的作用分別由它們的特異性受體GIPR和GLP-1R介導(dǎo)，這兩種受體在胰腺β細(xì)胞以及各種組織和器官中表達(dá).目前，靶向腸促胰島素受體的藥物已取得重大進(jìn)展，如GLP-1R激動劑可穩(wěn)定激活GLP-1R信號[11]，起到很好的降糖作用.另外，DPP-4的抑制劑通過延緩GIP和GLP-1的降解，增強(qiáng)其促胰島素分泌的作用，亦取得了良好的臨床表現(xiàn)[10].

胰島素與肝臟細(xì)胞、肌肉細(xì)胞和脂肪細(xì)胞表面的胰島素受體(insulin receptor,IR)結(jié)合激活I(lǐng)R底物1(IR substrate 1,IRS-1)，被激活的IRS-1與p85調(diào)節(jié)亞基及磷脂酰肌醇3-激酶(phosphotidylinositol 3 kinase,PI3K)結(jié)合并激活PI3K，被激活的PI3K將磷脂酰肌醇(4,5)二磷酸(phosphatidylinositol(4,5)-biphosphate，PIP2)轉(zhuǎn)變?yōu)榱字＜〈?3,4,5)-三磷酸(phosphati-dylinositol(3,4,5)-trisphosphate，PIP3)，PIP3通過丙酮酸脫氫酶激酶1(pyruvate dehydrogenase kinase 1，PDK1)激活蛋白激酶B(protein kinase B,又稱為AKT)，進(jìn)而引起一系列使血糖降低的生理效應(yīng)(圖1)：1)通過使GLUT4從細(xì)胞漿轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜而激活該轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能，從而加速血液中的葡萄糖向肌肉和脂肪組織的轉(zhuǎn)運(yùn)[12]；2)上調(diào)肝臟組織中GCK的表達(dá)水平，促進(jìn)糖酵解[13]；3)激活的AKT進(jìn)而磷酸化糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK-3β)的Ser9位點(diǎn)并抑制其激酶活性，解除其對肝臟和肌肉組織中GS的抑制，促進(jìn)糖原合成[13]；4)抑制GPA的活性，從而抑制糖原降解[13]；5)激活肝臟細(xì)胞和肌肉細(xì)胞中的PFK2，從而促進(jìn)糖酵解，同時激活丙酮酸脫氫酶復(fù)合體(pyruvate dehydrogenase complex，PDC)的活性，使丙酮酸迅速轉(zhuǎn)化成acetyl-CoA，為脂肪酸的合成提供原料；6)在肝臟細(xì)胞中激活A(yù)CC，促進(jìn)脂肪酸的合成[14]；7)在脂肪組織中激活脂蛋白酯酶，促進(jìn)脂蛋白如VLDL運(yùn)輸?shù)闹愡M(jìn)入脂肪組織，并及時合成TAG加以儲存[15].總之，胰島素的主要功能是使葡萄糖以糖原和脂肪的形式儲存起來，降低血糖使其維持在正常水平.

GLUT.葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；GCK.葡萄糖激酶；GPA.糖原磷酸化酶A；acetyl-CoA.乙酰輔酶A；ACC.acetyl-CoA羧化酶；GS.糖原合酶；G6P.葡萄糖-6-磷酸；F6P.果糖-6-磷酸；PFK2.磷酸果糖激酶2；VLDL.極低密度脂蛋白；TAG.甘油三酯.

1.2 胰高血糖素

胰高血糖素是一種由29個氨基酸組成的肽素，具有多種生物學(xué)功能，如維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)[16].胰高血糖素的分泌響應(yīng)于多種代謝信號的變化[17-18]，如血糖濃度變化[19]、特定氨基酸濃度變化[20]、脂肪酸濃度以及壓力應(yīng)激變化(如交感神經(jīng)系統(tǒng)的激活)[21].GCK是葡萄糖濃度的感受器，它可以敏銳感知葡萄糖濃度變化，及時調(diào)控胰島素和胰高血糖素的分泌，維持血糖穩(wěn)定[22].在低血糖情況下，GCK活性迅速下降，啟動胰島α細(xì)胞的胰高血糖素釋放機(jī)制，使胰高血糖素分泌增加，通過與肝臟上的七重跨膜G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合發(fā)揮功能[23]，可通過抑制糖原合成和糖酵解以及促進(jìn)糖原分解和糖異生來增加肝臟中葡萄糖的產(chǎn)生[24-25].在長期饑餓的情況下，血液中的葡萄糖不能通過進(jìn)食加以補(bǔ)充，但外周組織仍然要利用血液中的葡萄糖作為燃料，因此，隨著饑餓的持續(xù)，血糖水平會逐漸降低.在正常情況下血糖是大腦的主要燃料，血糖太低時大腦的功能會因缺乏能量而出現(xiàn)異常，因此機(jī)體要維持正常的生理功能就必需維持血糖的穩(wěn)態(tài).在饑餓的情況下，機(jī)體分泌胰高血糖素，胰高血糖素與細(xì)胞質(zhì)膜上的跨膜受體結(jié)合[26]，導(dǎo)致受體構(gòu)象變化，從而激活三聚體三磷酸鳥苷結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白(trimeric guanosine triphosphate-binding regulated protein，G蛋白)偶聯(lián)蛋白，進(jìn)一步導(dǎo)致腺苷酸環(huán)化酶(adenylyl cyclase，AC)被激活，環(huán)狀單磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)水平升高，進(jìn)而激活蛋白激酶 A(protein kinase A，PKA)和 cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)[25].PKA 和CREB引起以下一系列適應(yīng)性代謝改變，以滿足機(jī)體對能量的需求，如使血糖升高、脂肪動員等(圖2)：1)PKA磷酸化并抑制PK[27]和PFK1[24]，進(jìn)而抑制肝臟細(xì)胞的糖酵解；2)PKA磷酸化并抑制肝臟細(xì)胞中GS的活性，阻止糖原合成[13]；3)PKA 磷酸化磷酸化酶激酶從而激活肝臟細(xì)胞中GPA的活性，啟動糖原分解級聯(lián)反應(yīng)[28]，促進(jìn)肝糖原轉(zhuǎn)化為游離的葡萄糖并釋放入血液[13]；4)CREB誘導(dǎo)PEPCK的轉(zhuǎn)錄，從而激活PEPCK[16]，同時PKA 磷酸化并激活FBPase-2[24]，進(jìn)而促進(jìn)肝細(xì)胞的糖異生；5)激活脂肪細(xì)胞中的PKA，PKA進(jìn)一步磷酸化并激活HSL加速脂肪酸的動員[29]；6)抑制肝細(xì)胞中的ACC，促進(jìn)脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)橥w，為腦等肝外組織提供能量[14,29].

WAT.白色脂肪組織；PK.丙酮酸激酶；F-1,6-P.果糖-1，6-二磷酸；PEP.磷酸烯醇式丙酮酸；PEPCK.PEP羧化激酶；FBPase-2.果糖-2,6-二磷酸酶；F-2,6-P.果糖-2，6-二磷酸；Pi.磷酸根；HSL.激素敏感性酯酶.

1.3 腎上腺素

在應(yīng)激條件下機(jī)體會發(fā)生一系列生理變化，如心跳加速、血壓上升、呼吸加速、脂肪動員加快、肌肉組織中糖的分解加速等應(yīng)激反應(yīng).腎上腺素是由髓質(zhì)分泌引起應(yīng)激反應(yīng)的最主要的內(nèi)分泌激素，受內(nèi)臟神經(jīng)直接支配，當(dāng)大腦皮層接收到刺激信號，腎上腺素分泌量增加，經(jīng)血液循環(huán)運(yùn)送到其他組織，和靶細(xì)胞表面的腎上腺素受體(G蛋白偶聯(lián)型，主要包括腎上腺素α受體和β受體)結(jié)合，促使受體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，將受體轉(zhuǎn)化為激活形式[30]，被激活的腎上腺素受體與G蛋白結(jié)合，G蛋白中的二磷酸鳥苷(guanosine diphosphate,GDP)被三磷酸鳥苷(guanosine triphosphate,GTP)取代而激活，被激活的G蛋白從受體中釋放出來激活腺苷酸環(huán)化酶, 腺苷酸環(huán)化酶被激活后，將大量ATP分子轉(zhuǎn)化為第二信使cAMP.在肝臟細(xì)胞或骨骼肌細(xì)胞中cAMP可以結(jié)合并激活PKA，活化的PKA進(jìn)一步將GPB轉(zhuǎn)化為其活性形式GPA，進(jìn)而觸發(fā)糖原的分解，為肌肉細(xì)胞提供G6P，為肝細(xì)胞提供G6P和游離葡萄糖；此外，活化的PKA也能磷酸化GS，將其從活性形式轉(zhuǎn)化為非活性形式，從而抑制糖原合成[31].在脂肪細(xì)胞中，腎上腺素刺激cAMP生成，使PKA磷酸化，進(jìn)而激活HSL，促進(jìn)脂肪動員，加速脂肪分解，脂肪分解的產(chǎn)物甘油可經(jīng)糖異生合成葡萄糖.在心肌細(xì)胞中，腎上腺素通過cAMP激活PKA，后者能磷酸化胞膜L-型鈣離子通道，增加收縮期心肌細(xì)胞的Ca2+內(nèi)流和肌漿網(wǎng)的Ca2+釋放，增強(qiáng)心肌收縮能力，縮短收縮間隔，導(dǎo)致心率和血壓升高，增強(qiáng)為組織運(yùn)輸氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的能力[32].為了防止腎上腺素受體信號的持續(xù)過度激活，機(jī)體可利用β-arrestins銜接蛋白抑制腎上腺素受體對下游信號通路的激活，其原理為：被激活的β-腎上腺素受體能被β-腎上腺素受體激酶磷酸化，β-arrestins 能識別磷酸化的β-腎上腺素受體并與之結(jié)合，通過空間位阻效應(yīng)抑制G蛋白與β-腎上腺素受體結(jié)合[33]，從而終止或減弱β-腎上腺素介導(dǎo)的信號通路.

2 細(xì)胞代謝中的重要信號通路

2.1 mTOR信號通路與合成代謝

rapamycin是近半個世紀(jì)以前從吸水鏈霉菌(Streptomyceshygroscopicus)中分離得到的強(qiáng)效抗真菌和抗免疫細(xì)胞增殖的藥物，因具有很強(qiáng)的抗增殖性使其成為研究細(xì)胞增殖調(diào)控的常用工具.在20世紀(jì)90年代初通過酵母菌(Saccharomyces)的基因測序發(fā)現(xiàn)了rapamycin 的兩個靶基因TOR1和TOR2[34-35]，其突變株可以逃離細(xì)胞周期捕捉.隨后在哺乳動物中也發(fā)現(xiàn)了TOR基因，即mTOR[36].mTOR 是高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(serine/threonine protein kinase，STK)，屬于磷脂酰肌醇激酶相關(guān)激酶(phosphatidylinositol kinase-related kinase,PIKK)家族.mTOR 參與組成 mTORC1和mTORC2這兩種多蛋白復(fù)合物[37]，但rapamycin只抑制mTORC1中mTOR的活性卻不能抑制mTORC2中mTOR的活性.為避免理解混亂，目前已把mTOR以前的命名“雷帕霉素的哺乳動物靶蛋白”(mammalian target of rapamycin,mTOR)改為“雷帕霉素機(jī)制性靶蛋白”(mechanistic target of rapamycin,mTOR)，英文縮寫保持不變.mTORC1 在細(xì)胞的增殖和分化以及能量代謝中均起關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用.生長因子如胰島素與其受體結(jié)合后激活受體酪氨酸酶的活性，通過PI3K-AKT途徑或Ras-Raf-Erk途徑激活mTORC1[38].mTORC1被激活后能激活真核細(xì)胞翻譯起始因子4E(eukaryotic translation initiation factor 4E,eIF4E)[39-40]、核糖體S6蛋白激酶1(ribosomal protein S6 kinase beta-1,S6K1)[41]和固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1(sterol regulatory element-binding protein 1,SREBP1)[42].eIF4E和S6K1被激活后可以促進(jìn)核糖體的生物合成，激活cyclin D1、c-MYC、周期蛋白依賴性激酶2(cyclindependent kinase 2,CDK2)等與細(xì)胞增殖相關(guān)蛋白的翻譯，刺激基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinase 9,MMP9)的翻譯，增強(qiáng)HIF-1α的表達(dá)，從而促進(jìn)糖酵解及血管生成.mTORC1通過這些作用促進(jìn)蛋白合成、刺激細(xì)胞分裂及增殖、增強(qiáng)糖酵解、促進(jìn)腫瘤血管形成及轉(zhuǎn)移.SREBP1被mTORC1激活后能轉(zhuǎn)錄激活參與磷酸戊糖旁路及脂肪合成的一系列酶的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)脂肪的合成及儲存[43].

目前關(guān)于mTORC1激活條件及詳細(xì)分子機(jī)制方面的研究均取得了很大進(jìn)展(圖3).mTORC1的激活有3個最基本的條件：1)mTORC1主要促進(jìn)消耗能量的合成代謝，抑制產(chǎn)生能量的分解代謝，因此mTORC1激活的先決條件是機(jī)體在整體水平上有足夠的能量且分泌較高水平的生長因子；2)細(xì)胞本身要有充足的能量供應(yīng)；3)mTORC1激活后的一大功能是促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，而氨基酸是蛋白質(zhì)合成的原料，因此mTORC1的激活必須有足夠濃度的氨基酸，尤其是支鏈氨基酸.這3個條件必須同時具備，mTORC1才能被激活，可見mTORC1的重要性.生長因子和能量水平調(diào)控mTORC1的靶點(diǎn)是TSC1/2.TSC1/2是一種GTP 酶活化蛋白(GTPase-activating protein，GAP)，它被激活后能夠抑制mTORC1，其機(jī)制是TSC1/2的GAP酶活性能使mTORC1的直接激活蛋白Rheb由GTP 偶聯(lián)的活性形式轉(zhuǎn)化為GDP偶聯(lián)的失活形式[44].AKT被胰島素及生長因子激活后能直接磷酸化TSC1/2使其失活，從而激活mTORC1.細(xì)胞缺乏能量時AMPK被激活，AMPK可以磷酸化TSC1/2使其激活，從而抑制mTORC1；而在細(xì)胞能量供應(yīng)充足的情況下AMPK失活，其對mTORC1的抑制作用也隨之解除.缺氧一方面導(dǎo)致細(xì)胞ATP水平降低，激活A(yù)MPK、抑制mTORC1；另一方面通過激活REDD1調(diào)節(jié)蛋白,從而抑制mTORC1.另外，DNA損傷刺激p53表達(dá)，后者可以通過激活REDD1和AMPK間接抑制mTORC1.

RTK.受體酪氨酸激酶;Grb2.生長因子受體結(jié)合蛋白2;SOS.Sevenless之子蛋白;NF1.神經(jīng)纖維瘤蛋白1；PTEN.磷酸酶和張力蛋白同系物；Raf.RAF原癌基因STK；ERK.絲裂原活化蛋白；MEK.雙特異性ERK激酶；RSK.核糖體蛋白S6激酶；PDK1.3-磷酸肌醇依賴蛋白激酶1；LKB1.絲氨酸/蘇氨酸激酶11；FKBP12.FKBP脯氨酰異構(gòu)酶1A；GβL.mTOR相關(guān)蛋白LST8同系物；DEPTOR.含mTOR相互作用蛋白的DEP結(jié)構(gòu)域；4E-BP1.真核翻譯起始因子eIF4e結(jié)合蛋白1；ATG13.自噬相關(guān)蛋白13；ULK1.Unc-51類自噬激活激酶1；Sin1.應(yīng)激激活蛋白激酶相互作用蛋白1；PRR5.脯氨酸蛋白5；Rictor.雷帕霉素不敏感mTOR伴侶蛋白；Lipin1.磷脂酸磷酸酶1；SGK1.血清和糖皮質(zhì)激素調(diào)節(jié)激酶 1；PKCα.蛋白激酶Cα；TSC1/2.結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合物1/2；Rheb.富集于大腦的Ras同系物；REDD1.發(fā)育和DNA損傷反應(yīng)1；Rag.Ras相關(guān)的GTP酶；Ragulator.Rag調(diào)節(jié)因子;v-ATPase.v型三磷酸腺苷酶.

氨基酸激活mTORC1的原理比較復(fù)雜，涉及到Rag蛋白[45-46]、Ragulator復(fù)合體[47]、v-ATPase[48]及其他具有鳥嘌呤核苷酸交換因子(guanine nucleotide exchange factor,GEF)和GAP活性的調(diào)節(jié)蛋白[49-50].Ragulator是由LAMTOR 1(late endosomal/lysosomal adaptor,MAPK and mTOR activator 1)、LAMTOR2、LAMTOR3、LAMTOR4和LAMTOR5組成的異源五聚體，能進(jìn)一步與v-ATPase形成復(fù)合體，定位在晚期溶酶體上.Rag蛋白有A、B、C、D 4種亞型，其中A與B相似，C與D相似，在細(xì)胞中一般是A/B與C/D組成異源二聚體.v-ATPase與Ragulator形成的復(fù)合體能將Rag異源二聚體募集到溶酶體表面.當(dāng)細(xì)胞氨基酸濃度較高時溶酶體中的氨基酸會作用于v-ATPase引起Ragulator的構(gòu)象變化，激活其針對RagA/B的GEF活性，從而使Rag二聚體中的A/B與GTP結(jié)合；同時抑癌因子FLCN(folliculin)針對RagC/D的GAP活性也被激活，使Rag二聚體中的RagC/D與GDP結(jié)合.此時，RagA/B與RagC/D形成的二聚體被激活后能與mTORC1中的Raptor結(jié)合，從而將mTORC1定位到溶酶體上，進(jìn)而被已經(jīng)定位到溶酶體上的mTORC1激活蛋白Rheb激活[51-52].

近年來的研究進(jìn)一步闡明了mTOR感應(yīng)氨基酸濃度的機(jī)制(圖4).Sabatini課題組揭示了氨基酸通過多種方式介導(dǎo)mTORC1活化的機(jī)制：首先他們鑒定了一種氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體SLC38A9，這是一種定位于溶酶體上的精氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，作為溶酶體跨膜蛋白，它能夠以一種氨基酸敏感的方式與Rag蛋白及Ragulator相互作用，將mTORC1定位到溶酶體上[53].另外，他們還發(fā)現(xiàn)定位于胞漿的GATOR1蛋白具有針對RagA的GAP活性，它被激活后能夠抑制mTORC1的溶酶體定位.當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的氨基酸充足時，亮氨酸能夠與Sestrin2結(jié)合來破壞Sestrin2與GATOR2的相互作用，使得GATOR2處于激活狀態(tài)，激活的GATOR2進(jìn)一步解除GATOR1對mTORC1的抑制[54].與亮氨酸不同的是，精氨酸通過以30 μmol/L的解離常數(shù)與CASTOR1結(jié)合來破壞CASTOR1與GATOR2的相互作用，使得GATOR2處于激活狀態(tài)，從而激活mTORC1[55].Kim課題組[56]則發(fā)現(xiàn)，LARS1能夠感知亮氨酸濃度并調(diào)節(jié)其與RagD的相互作用，行使GAP功能，使RagDGTP轉(zhuǎn)化為活化態(tài)RagDGDP，從而激活mTORC1通路.此外，Kim課題組[57]還發(fā)現(xiàn)LARS1對mTORC1的調(diào)控作用依賴于葡萄糖的存在，具體機(jī)制是：葡萄糖存在時，LARS1可以感知到亮氨酸的存在，使亮氨酸與tRNA進(jìn)行共價結(jié)合，參與翻譯過程，同時通過RagD激活mTORC1通路；葡萄糖缺乏時，ULK1磷酸化LARS1降低其與亮氨酸的結(jié)合能力，從而減弱對翻譯過程和mTORC1的調(diào)控作用，蛋白質(zhì)的翻譯被抑制進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞自噬，幫助細(xì)胞短暫適應(yīng)缺糖環(huán)境.值得關(guān)注的是，趙世民課題組[58]研究表明：氨基酰tRNA合成酶也兼有氨基酰轉(zhuǎn)移酶的活性，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的某種氨基酸水平升高時，結(jié)合了這種氨基酸的tRNA合成酶會與胞內(nèi)特定的蛋白結(jié)合，將氨基?；D(zhuǎn)移到蛋白特定的賴氨酸殘基上對其進(jìn)行氨基酰化修飾.如細(xì)胞內(nèi)的亮氨酸含量較高時，可以通過LARS1修飾RagA，使其更容易轉(zhuǎn)變?yōu)镽agAGTP形式，從而促進(jìn)mTORC1的激活.這些研究成果為闡明氨基酸激活mTOR信號通路填補(bǔ)了重要一環(huán).

CASTOR.胞質(zhì)精氨酸傳感器;GATOR.Rag二聚體的上游關(guān)鍵調(diào)控復(fù)合物(能夠水解Rag二聚體從而影響mTORC1在溶酶體的定位);LARS.亮氨酸-轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tRNA)合成酶.

總之，mTORC1主要是在營養(yǎng)物質(zhì)和能量充足的情況下激活合成代謝，消耗ATP，抑制細(xì)胞自噬，促進(jìn)細(xì)胞存活和增殖.因此，mTORC1的過度激活與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，被認(rèn)為是一個很重要的抗腫瘤靶點(diǎn)[38].自2007年起，雷帕霉素的兩種衍生物被開發(fā)用于通過抑制mTORC1來治療癌癥，分別為輝瑞公司的坦羅莫司(temsirolimus)和諾華公司的依維莫司(everolimus).

2.2 AMPK信號通路與分解代謝

AMPK是細(xì)胞內(nèi)的能量感受器，在真核細(xì)胞生物中廣泛存在.各種導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)單磷酸腺苷(adenosine monophosphate,AMP)/ATP或二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)/ATP比值升高的因素如饑餓、缺氧等均可引起AMPK活化.AMPK活化后抑制消耗ATP的合成代謝過程，啟動生成ATP的分解代謝過程，從而維持機(jī)體能量代謝的穩(wěn)態(tài).

AMPK是進(jìn)化過程中高度保守的STK，最初是作為脂肪合成代謝中的關(guān)鍵酶ACC和膽固醇合成代謝中的關(guān)鍵酶3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methyl glutaryl-CoA reductase，HMGR)的上游調(diào)節(jié)因子被發(fā)現(xiàn)的[59].AMPK是由α、β和γ亞基組成的異源三聚體：其中α亞基具有催化活性；β亞基連接α和γ亞基，是形成穩(wěn)定有活性的三聚體復(fù)合物所必需的；γ亞基的Bateman結(jié)構(gòu)域包含AMP的結(jié)合位點(diǎn).AMPK的活性受變構(gòu)劑和磷酸化的雙重調(diào)節(jié).如圖5所示，當(dāng)細(xì)胞處于饑餓狀態(tài)時AMP的濃度升高，和AMPK的γ亞基結(jié)合，通過構(gòu)象的改變引起α亞基的Thr172位點(diǎn)暴露，此時AMPK的上游激酶LKB1、CaMKK和TAK1等能使Thr172位點(diǎn)磷酸化，從而激活A(yù)MPK的激酶活性[60-61].

CaMKK.Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶；LKB1.肝臟激酶 B1；PP2C.蛋白磷酸酶2C；TAK1.轉(zhuǎn)化生長因子β相關(guān)激酶1.

近年來的研究表明AMPK被激活后可以在整體水平和細(xì)胞水平兩個層面調(diào)控能量代謝的穩(wěn)態(tài)[62].在整體水平上，AMPK主要通過下丘腦調(diào)控能量平衡[62]，如圖6所示：下丘腦弓狀核中AMPK的激活可以刺激食欲引起進(jìn)食活動，下丘腦腹內(nèi)側(cè)核中AMPK的激活可以抑制交感神經(jīng)系統(tǒng)，從而抑制交感神經(jīng)興奮引起的能量消耗.在飽食的情況下，一方面脂肪細(xì)胞會分泌瘦素，抑制弓狀核中AMPK的激活，從而抑制進(jìn)食活動，防止機(jī)體攝入過多的能源物質(zhì)；另一方面，小腸會分泌GLP-1，甲狀腺會分泌甲狀腺素，二者均可抑制下丘腦腹內(nèi)側(cè)核中AMPK的活性，解除其對交感神經(jīng)的抑制作用，從而增強(qiáng)機(jī)體的基礎(chǔ)代謝效率，加速能量的消耗.在饑餓的情況下，機(jī)體缺乏能量，一方面脂肪細(xì)胞會分泌脂聯(lián)素，另一方面胃會分泌饑餓素，二者均能激活弓狀核中AMPK的活性，從而刺激進(jìn)食活動，為機(jī)體補(bǔ)充能量.

T3.3,3’,5-三碘甲狀腺原氨酸.

在細(xì)胞水平上，AMPK響應(yīng)細(xì)胞能量狀態(tài)的變化，通過多器官多靶點(diǎn)抑制耗能的合成代謝，促進(jìn)釋放能量的分解代謝，從而維持細(xì)胞的能量穩(wěn)態(tài)[63-64]，如圖7所示.在分解代謝方面AMPK有以下作用：1)上調(diào)肌肉細(xì)胞GLUT1和GLUT4的表達(dá)，促進(jìn)糖的攝入；2)激活PFK2，促進(jìn)糖酵解；3)抑制ACC2，激活脂肪酸的氧化分解；4)激活ULK1/2, 啟動線粒體的自噬；5)激活脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白CD36，促進(jìn)脂肪酸的攝入.在合成代謝方面AMPK有以下作用：1)抑制HDAC和CRTC2的活性，從而抑制糖異生途徑的關(guān)鍵酶PEPCK和葡萄糖6磷酸酶的表達(dá)，最終抑制糖異生；2)使GS失活，從而抑制糖原的合成；3)抑制ACC1的活性，從而抑制脂肪酸的合成；4)轉(zhuǎn)錄因子SREBP1C能轉(zhuǎn)錄激活脂肪合成的一系列酶，AMPK能磷酸化SREBP1C使其失活，從而抑制脂肪的合成；5)抑制甘油磷酸轉(zhuǎn)乙酰酶，從而阻止三酯酰甘油的合成；6)通過抑制HMGR以抑制膽固醇的合成；7)通過抑制Raptor和激活TSC2以抑制mTOR，從而抑制蛋白質(zhì)的合成；8)通過抑制轉(zhuǎn)錄因子TIFIA以阻止核糖體RNA的合成；9)PGC1α是轉(zhuǎn)錄因子PPAR-? 的共激活子，能轉(zhuǎn)錄激活線粒體中與能量代謝相關(guān)的基因的表達(dá)，AMPK可以磷酸化并激活PGC1α，從而增加線粒體的生物合成，促進(jìn)有氧代謝，增加能量供應(yīng).

CRTC2.Creb調(diào)控的轉(zhuǎn)錄共激活因子2；HDAC.組蛋白脫乙酰化酶；TBC1D1.TBC1域家族成員1；PFKFB3.果糖-2,6-二磷酸酶3；TIFIA.RNA聚合酶Ⅰ特異性轉(zhuǎn)錄起始因子RRN3；Raptor.mTOR的調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白；PolⅠ.RNA聚合酶Ⅰ；PGC1α.過氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPAR-γ)共激活因子1α亞基；SIRT1.氧化型輔酶Ⅰ依賴性蛋白脫乙酰酶sirtuin-1；GPAT.3-磷酸甘油?；D(zhuǎn)移酶.

鑒于AMPK信號通路在代謝調(diào)控中的重要作用，AMPK的活性在細(xì)胞內(nèi)被嚴(yán)格調(diào)控.經(jīng)典理論認(rèn)為AMPK的活化主要是通過其γ亞基感知細(xì)胞內(nèi)的AMP濃度，通過構(gòu)象改變以及Thr172位點(diǎn)磷酸化修飾來調(diào)節(jié).近幾年廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院林圣彩課題組的研究結(jié)果揭示了細(xì)胞在不同能量狀態(tài)下選擇性激活A(yù)MPK和mTOR的分子機(jī)制(圖8).首先他們發(fā)現(xiàn)，AXIN作為架構(gòu)蛋白，在AMP信號的作用下，與AMPK及其上游激酶LKB1三者形成一個復(fù)合體，促進(jìn)LKB1對AMPK的磷酸化激活；且AXIN對于AMPK定位到溶酶體上具有重要的作用，該研究為闡明溶酶體在調(diào)控線粒體氧化磷酸化中的作用提供了線索[65].另外，他們研究發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞缺乏能量的情況下，依賴于LKB1的AMPK的激活發(fā)生在晚期溶酶體上，其機(jī)制是v-ATPase-Ragulator可以將AXIN/LKB1募集到溶酶體表面，從而激活A(yù)MPK.由于v-ATPase-Ragulator復(fù)合體也是在能量充足的情況下細(xì)胞激活mTOR所必須的條件，所以，該復(fù)合體成為細(xì)胞響應(yīng)能量狀態(tài)在合成代謝和分解代謝之間轉(zhuǎn)換的開關(guān)[66].接著，他們闡明了在生理狀態(tài)下機(jī)體感受葡萄糖水平的機(jī)制.他們發(fā)現(xiàn)，葡萄糖水平下降會引起糖酵解的中間產(chǎn)物F-1,6-P水平的下降，該過程進(jìn)一步地被糖酵解通路上的代謝酶——醛縮酶感應(yīng)，未結(jié)合F-1,6-P的醛縮酶促進(jìn)v-ATPase、Ragulator和AMPK-AXIN-LKB1之間的動態(tài)組合，形成超級復(fù)合體，并激活A(yù)MPK[67].進(jìn)一步的機(jī)制研究表明，未結(jié)合F-1,6-P的醛縮酶可結(jié)合陽離子通道蛋白TRPV并抑制其Ca2+的通道活性；Ca2+濃度下降促使醛縮酶-v-ATPase復(fù)合體變構(gòu)，從而抑制v-ATPase，最終啟動溶酶體上的AMPK激活途徑，引起溶酶體上AMPK的活化[68].他們還發(fā)現(xiàn)不同程度的能量缺乏可逐級激活胞內(nèi)不同區(qū)域的AMPK：當(dāng)細(xì)胞處于輕度饑餓時(AMP/ATP比值還沒有大的變化)，溶酶體上的AMPK最先被磷酸化并激活；當(dāng)細(xì)胞處于中度饑餓時，胞質(zhì)中的AMPK開始被激活；而當(dāng)細(xì)胞中能量嚴(yán)重匱乏時，線粒體上的AMPK被最終激活.該研究工作首次揭示了不同時空下AMPK激活的現(xiàn)象，對人們更深入、多層次了解AMPK的激活狀態(tài)具有重要意義[69].

AXIN.軸抑制蛋白1；TRPV.瞬時受體電位陽離子通道亞家族V；ER.內(nèi)質(zhì)網(wǎng).

2.3 AMPK 與mTOR信號通路協(xié)同維持細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)

AMPK和mTOR分別激活分解代謝和合成代謝，二者只有密切配合、彼此調(diào)控才能更好地維持細(xì)胞的能量穩(wěn)態(tài).在機(jī)體能量充足的情況下，mTOR通過多條途徑激活合成代謝、抑制分解代謝：首先，脂肪細(xì)胞會分泌瘦素，瘦素作為內(nèi)分泌激素在下丘腦控制攝食的中樞中能激活mTOR，進(jìn)而激活S6K1，S6K1磷酸化弓狀核中的AMPK使其失活，從而抑制進(jìn)食活動；其次，機(jī)體會分泌胰島素等生長因子，通過AKT或ERK通路激活各組織器官細(xì)胞中的mTOR，進(jìn)而直接或間接激活eIF4E、S6K1、SREBP1、cyclin D1、c-MYC、CDK、HIF-1α等，促進(jìn)生物合成、細(xì)胞增殖；同時S6K1能磷酸化AMPK的Ser491位點(diǎn)，抑制Thr172位點(diǎn)的磷酸化，從而通過抑制AMPK的激活，抑制分解代謝[62,70].在饑餓、缺氧、DNA損傷等情況下，AMPK被激活，調(diào)節(jié)一系列下游靶蛋白激活分解代謝；同時，AMPK可以通過磷酸化激活TSC1/2以及磷酸化失活Raptor而抑制mTOR的激活，從而抑制合成代謝[43].值得一提的是，v-ATPase-Ragulator復(fù)合體在不同能量情況下分別激活A(yù)MPK和mTOR[66]，在細(xì)胞處于饑餓情況下，AXIN轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體促進(jìn)mTORC1的解離[65-66].因此，該復(fù)合體成為細(xì)胞響應(yīng)能量狀態(tài)在合成代謝和分解代謝之間轉(zhuǎn)換的開關(guān).

3 抑癌因子與致癌因子對能量代謝的調(diào)控

在正常生理狀態(tài)下機(jī)體正常細(xì)胞主要靠氧化磷酸化提供能量，只有在短暫缺氧的情況下部分組織(如肌肉)可以通過無氧糖酵解提供能量.然而這種正常代謝模式在腫瘤細(xì)胞中發(fā)生了重大改變.腫瘤細(xì)胞對代謝模式進(jìn)行了重編程，使有氧代謝被抑制而無氧代謝被加強(qiáng).即使在有氧的情況下，腫瘤細(xì)胞仍然靠糖酵解提供能量，這一現(xiàn)象被稱為“Warburg效應(yīng)”，是由德國諾貝爾獎獲得者Otto Heinrich Warburg于20世紀(jì)30年代提出來的[71].經(jīng)過近一個世紀(jì)的發(fā)展，人們揭示了Warburg效應(yīng)發(fā)生的部分分子機(jī)制，目前該效應(yīng)被普遍認(rèn)為是腫瘤細(xì)胞代謝的基本特性之一[71-73].很多致癌基因和抑癌基因編碼的蛋白產(chǎn)物參與代謝模式的調(diào)控.抑癌因子如p53主要抑制無氧糖酵解，激活TCA循環(huán)及氧化磷酸化有氧代謝途徑；相反地，致癌因子如HIF-1α和c-MYC等促進(jìn)無氧糖酵解，而抑制有氧代謝.p53缺失或突變失活及HIF-1α、c-MYC等過度激活都會導(dǎo)致細(xì)胞代謝模式從有氧代謝向無氧糖酵解轉(zhuǎn)變，從而促進(jìn)細(xì)胞的惡性轉(zhuǎn)變.

3.1 p53

p53主要通過以下途徑抑制糖酵解(圖9)：1)p53能直接抑制GLUT1和GLUT4的表達(dá)[74]，也能通過抑制NF-κB間接抑制GLUT3的表達(dá)，從而減少細(xì)胞對葡萄糖的攝入[75].2)PFK1是糖酵解通路的限速酶之一，該酶能被F-2,6-P變構(gòu)激活.p53轉(zhuǎn)錄激活的一個下游蛋白TIGAR是F-2,6-P的磷酸酶，能使其轉(zhuǎn)化為F6P，因此p53能通過激活TIGAR來抑制糖酵解[76-77].3)PPP能為快速增殖的細(xì)胞提供合成核酸所必須的R5P，也能為其他合成代謝途徑提供NADPH，腫瘤細(xì)胞的PPP非?；钴S.p53能抑制PPP的關(guān)鍵酶G6PDH，從而抑制該代謝途徑[78].4)p53能抑制MCT1從而抑制乳酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，破壞腫瘤細(xì)胞的微環(huán)境[79].

p53主要通過以下途徑促進(jìn)有氧代謝(圖9)：1)PDK1能磷酸化PDC使其失活，而PDC是acetyl-CoA進(jìn)入TCA循環(huán)的關(guān)鍵步驟，p53能通過抑制PDK1而激活PDC[80].2)SCO2能激活電子傳遞鏈復(fù)合體四(complex Ⅳ)中的關(guān)鍵蛋白細(xì)胞色素c氧化酶的合成；AIF也能激活電子傳遞鏈，二者均能被p53激活[81-82].3)ME在將蘋果酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸的過程中產(chǎn)生合成代謝必需的NADPH，p53能通過抑制ME1和ME2進(jìn)而抑制合成代謝[83].4)p53R2[84]及Mieap在維持線粒體基因組完整性及線粒體質(zhì)量方面起重要作用[85]，p53能通過激活這兩種蛋白維持線粒體的正常功能，從而促進(jìn)有氧代謝[86].5)GLS2可以催化谷氨酰胺水解生成谷氨酸，谷氨酸可進(jìn)一步通過生成α-酮戊二酸參與TCA循環(huán)，p53可以通過轉(zhuǎn)錄激活GLS2，從而促進(jìn)線粒體呼吸和ATP的產(chǎn)生[87-88].

PPP.磷酸戊糖旁路；NADH.還原型輔酶Ⅰ；NADPH.還原型輔酶Ⅱ；p53R2.p53控制的核苷酸還原酶；R5P.核糖-5-磷酸；3PG.3磷酸甘油酸；MCT1.單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1；G6PDH.G6P脫氫酶；ME.蘋果酸酶；GLS2.線粒體谷氨酰胺酶2；TIGAR.TP53誘導(dǎo)的糖酵解與凋亡調(diào)節(jié)蛋白;SCO2.參與細(xì)胞色素c氧化酶組裝的調(diào)節(jié)蛋白；AIF.細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子；Mieap.線粒體自噬蛋白；PGAM.新型磷酸甘油酸變位酶；ETC.電子傳遞鏈;α-KG.α-酮戊二酸.

另外，需要特別強(qiáng)調(diào)的是p53能與AMPK及AKT/TSC/mTOR通路進(jìn)行交叉對話，從而抑制mTOR，進(jìn)而抑制合成代謝.首先，p53能通過直接激活A(yù)MPK的上游激酶LKB1進(jìn)而激活A(yù)MPK[89]，或通過激活Sestrins及AMPK β亞基的轉(zhuǎn)錄間接激活A(yù)MPK[90-92]，AMPK被激活后能抑制mTOR.其次，p53能通過激活A(yù)KT的抑制蛋白PTEN而抑制mTOR信號，或通過直接激活TSC1/TSC2復(fù)合體抑制mTOR[86].相反地，具有獲得性功能(gain of function,GOF)的p53突變體則能抑制AMPK，激活mTOR促進(jìn)合成代謝和細(xì)胞增殖[93].

3.2 HIF-1α 和c-MYC對細(xì)胞代謝的調(diào)控作用

HIF-1α是細(xì)胞在缺氧條件下進(jìn)行代謝模式轉(zhuǎn)變以適應(yīng)環(huán)境變化的核心分子.在有氧的情況下，HIF-1α被PHD2(prolyl-hydroxylase 2)羥基化，然后被VHL(von Hippel-Lindau)泛素連接酶復(fù)合體泛素化，經(jīng)蛋白酶體途徑降解，因此，在正常生理情況下在細(xì)胞中幾乎檢測不到HIF-1α蛋白的表達(dá)[94].由于分子氧是PHD2催化羥基化反應(yīng)的底物之一，所以在缺氧的情況下HIF-1α不能被羥基化，因此不能被VHL泛素化降解，導(dǎo)致HIF-1α在細(xì)胞內(nèi)積累，水平升高[95].而HIF-1α本身是轉(zhuǎn)錄因子，其轉(zhuǎn)錄激活的下游基因超過100個，如圖10所示，這些基因中參與代謝調(diào)控的包括：1)GLUT1和GLUT3[96-97]；2)參與糖酵解途徑的酶，如HK1、HK2、PGK1[98-99]、PKM2[100]和LDHA[101]；3)PDK1，能抑制PDC的功能，從而抑制丙酮酸進(jìn)入TCA循環(huán)[102]；4)產(chǎn)生NADPH的酶，如IDH1和IDH2[103]；5)參與脂肪酸合成的酶，如FASN和Lipin1[104-105]；6)Ⅰ型 GS、二磷酸尿苷-葡萄糖焦磷酸化酶(uridine disphosphate-glucose pyrophosphorylase，UGP2)和α-1,4葡聚糖分支酶(1,4-α-glucan branching enzyme，GBE1)，促進(jìn)糖原合成[106]；7)脂肪酸結(jié)合蛋白3(fatty acid binding protein 3,FABP3)和FABP7，促進(jìn)脂肪酸的攝入[107].通過激活以上的酶系統(tǒng)HIF-1α促進(jìn)無氧糖酵解、糖原合成、乳酸產(chǎn)生、脂類攝入及脂類合成，抑制有氧代謝[106,108-110].

HK1/2.己糖激酶1/2；PGK1.磷酸甘油酸激酶1；PKM2.丙酮酸激酶M2；LDHA.乳酸脫氫酶A；PDH.丙酮酸脫氫酶；FASN.脂肪酸合酶；IDH1/2.異檸檬酸脫氫酶1/2.

近幾年的研究表明谷氨酰胺代謝在部分腫瘤的生長中起重要作用.在很多腫瘤中HIF-1α過度激活，抑制了PDC，使丙酮酸不能進(jìn)入TCA循環(huán)合成檸檬酸，導(dǎo)致脂肪酸合成受阻，在這種情況下谷氨酰胺便成為脂類合成最主要的原料.谷氨酰胺被GLS轉(zhuǎn)化為谷氨酸后，經(jīng)TCA循環(huán)的逆反應(yīng)生成檸檬酸，從而進(jìn)入脂肪酸合成途徑[103,113].近年來研究發(fā)現(xiàn)PKM2在多數(shù)腫瘤中高表達(dá)，該酶作為糖酵解通路的最后一個酶，能通過調(diào)節(jié)無氧代謝和有氧代謝之間的平衡調(diào)控合成代謝及分解代謝的穩(wěn)態(tài)，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖；受體酪氨酸激酶能激活PKM2，PKM2反過來能激活c-MYC及cyclin D1的表達(dá)；另外，PKM2也可以作為HIF-1α的共激活因子激活糖酵解通路中一系列酶的轉(zhuǎn)錄[114-116].

4 研究細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)的意義

細(xì)胞能量代謝穩(wěn)態(tài)是細(xì)胞其他生物學(xué)活動的基礎(chǔ)，而細(xì)胞能量代謝穩(wěn)態(tài)的維持有賴于細(xì)胞能量代謝信號網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控.細(xì)胞由于基因缺失或突變導(dǎo)致該調(diào)控網(wǎng)絡(luò)失衡，使得細(xì)胞能量代謝模式發(fā)生改變或能量代謝穩(wěn)態(tài)被破壞，都會引起嚴(yán)重的疾病如癌癥、肥胖、糖尿病、心血管疾病等，甚至導(dǎo)致細(xì)胞及機(jī)體死亡.深入研究細(xì)胞能量代謝信號網(wǎng)絡(luò)的組成成分、各成分的功能及相互調(diào)節(jié)關(guān)系可以為預(yù)防及治療上述疾病提供理論基礎(chǔ)及藥物靶點(diǎn)，促進(jìn)基于細(xì)胞能量代謝調(diào)控的新藥的研發(fā)，最終為預(yù)防及治療以上由細(xì)胞能量穩(wěn)態(tài)被破壞導(dǎo)致的疾病奠定基礎(chǔ).

從代謝的角度看，癌癥是一種代謝性疾病，其發(fā)生發(fā)展的根源是調(diào)控代謝的抑癌因子(如LKB1、AMPK、p53、PTEN、TSC等)與原癌基因產(chǎn)物(如AKT、mTOR、HIF-1α、c-MYC等)之間的平衡被打破，引起細(xì)胞代謝模式從有氧代謝轉(zhuǎn)變?yōu)闊o氧代謝，細(xì)胞合成代謝加速，細(xì)胞的適應(yīng)性增強(qiáng)，這種代謝穩(wěn)態(tài)的變化為細(xì)胞惡變及增殖奠定了物質(zhì)及能量基礎(chǔ).長期以來，人們一直認(rèn)為細(xì)胞能量代謝的改變是伴隨癌癥的表現(xiàn)，而不是引起細(xì)胞癌變的原因.目前研究表明細(xì)胞代謝的改變完全有可能直接導(dǎo)致癌癥的發(fā)生，如IDH1和IDH2的突變就可以導(dǎo)致膠質(zhì)瘤和白血病等[117].多種人類腫瘤中存在mTOR的過度表達(dá)及激活，同時抑癌因子LKB1、PTEN和TSC1/TSC2作為mTOR信號通路中的負(fù)向調(diào)節(jié)因子，在多種腫瘤細(xì)胞中也存在缺失表達(dá).LKB1抑癌因子的作用機(jī)制就是激活A(yù)MPK，進(jìn)而抑制mTOR信號通路，這使得AMPK 可能成為潛在的抗腫瘤靶點(diǎn).在許多腫瘤細(xì)胞的體外試驗(yàn)中，人們發(fā)現(xiàn)AMPK激活劑二甲雙胍和5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleotide，AICAR)有抑制腫瘤細(xì)胞增殖的作用[53,118-120].

Ⅱ型糖尿病發(fā)生的一個機(jī)制是機(jī)體出現(xiàn)胰島素抵抗.當(dāng)機(jī)體營養(yǎng)素水平過剩時, 高濃度的氨基酸或葡萄糖長期刺激使血液中胰島素濃度增高，進(jìn)而過度激活mTOR/S6K1通路，S6K1反過來使IRS-1的Ser312、Ser636/639或Ser307位點(diǎn)發(fā)生過度磷酸化后抑制胰島素的信號傳導(dǎo),從而嚴(yán)重干擾insulin/PI3K/AKT的胰島素信號傳導(dǎo)功能，引發(fā)機(jī)體產(chǎn)生胰島素抵抗[121-122].在這種情況下胰島素的分泌不能使GLUT4定位到細(xì)胞膜上，血液中的葡萄糖不能被及時吸收入細(xì)胞，出現(xiàn)高血糖.二甲雙胍和AICAR均能激活A(yù)MPK，抑制mTOR/S6K1，從而恢復(fù)IRS-1的活性，逆轉(zhuǎn)了細(xì)胞的胰島素抵抗，因此可被用于治療Ⅱ型糖尿病[123].

肥胖患者的合成代謝遠(yuǎn)超過分解代謝，主要表現(xiàn)為mTOR過度激活、胰島素抵抗、血脂異常等多種代謝改變.mTOR過度激活在肥胖發(fā)生中起重要作用.mTOR 活化可引起脂質(zhì)的累積，雷帕霉素能抑制脂肪增長.Um等[122]證實(shí)S6K1缺失的小鼠脂類分解作用增強(qiáng)，脂肪組織質(zhì)量下降；在飲水和進(jìn)食量無顯著性改變的小鼠中, 雷帕霉素能降低脂肪組織量.因此，靶向抑制mTOR/S6K1/4E-BP可預(yù)防肥胖的發(fā)生.激活A(yù)MPK能抑制mTOR，促進(jìn)骨骼肌中的葡萄糖攝取和脂肪酸氧化，抑制肝臟中脂質(zhì)和葡萄糖的合成，同時促進(jìn)脂質(zhì)氧化，降低機(jī)體葡萄糖和脂質(zhì)水平，減少脂質(zhì)異位沉積，增強(qiáng)胰島素敏感性，抑制攝食行為的發(fā)生，為肥胖的治療提供了新的切入點(diǎn)[122-124].

5 細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)研究的瓶頸及努力方向

細(xì)胞能量代謝網(wǎng)絡(luò)由千千萬萬的生化反應(yīng)組成，這些反應(yīng)歸屬于眾多的細(xì)胞代謝通路.細(xì)胞能量代謝的復(fù)雜性還體現(xiàn)在很多代謝通路都是兩用代謝通路，且不同通路間通過交叉對話彼此聯(lián)系、互相制約.細(xì)胞根據(jù)能量狀態(tài)及內(nèi)環(huán)境的改變及時調(diào)整能量代謝網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使其能隨時滿足細(xì)胞對物質(zhì)及能量代謝的要求；而要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，細(xì)胞必須依賴于細(xì)胞能量代謝信號網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行.目前，人們對細(xì)胞能量代謝信號網(wǎng)絡(luò)還缺乏規(guī)律性和系統(tǒng)性的認(rèn)識.為了更好地認(rèn)識這一信號網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行規(guī)律，首先要了解其部分特點(diǎn).細(xì)胞能量代謝信號網(wǎng)絡(luò)對能量代謝的調(diào)控有以下特點(diǎn)：1)區(qū)域化，真核細(xì)胞在進(jìn)化過程中出現(xiàn)了不同的細(xì)胞器，將細(xì)胞分割成不同的空間，使同一代謝通路往往在特定的細(xì)胞器中進(jìn)行，從而提高化學(xué)反應(yīng)及調(diào)控的效率.更有甚者，一種細(xì)胞器的不同部位(亞細(xì)胞器結(jié)構(gòu))為不同的信號通路提供場所，如糖酵解在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，TCA循環(huán)在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行，而氧化磷酸化則在線粒體膜上進(jìn)行.2)遠(yuǎn)程調(diào)控，如胰島素激活其受體發(fā)生在細(xì)胞膜上，而其下游mTORC1的激活發(fā)生在晚期溶酶體表面，mTORC1激活S6K1及eIF4E引起的核糖體及蛋白質(zhì)的合成則發(fā)生在核糖體上.3)多蛋白復(fù)合體，為了能及時、準(zhǔn)確地調(diào)控能量代謝，起“開關(guān)”作用的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子如AMPK、mTOR等往往形成巨大的多蛋白復(fù)合體，通過復(fù)合體組分的動態(tài)變化實(shí)現(xiàn)代謝通路的啟動或關(guān)閉.4)調(diào)節(jié)分子多樣化，除蛋白分子外，代謝的中間產(chǎn)物如AMP、F-2,6-P，甚至營養(yǎng)物質(zhì)如葡萄糖、亮氨酸、精氨酸、脂肪酸本身，都能作為信號分子與相應(yīng)的蛋白分子結(jié)合，參與能量代謝的調(diào)控.5)代謝酶的多功能性，經(jīng)典的代謝酶反過來調(diào)控信號網(wǎng)絡(luò)中調(diào)節(jié)蛋白的活性，如糖酵解中的PKM2可以轉(zhuǎn)錄激活c-MYC的表達(dá)，而c-MYC則可進(jìn)一步激活一系列參與糖酵解及生物合成的酶的表達(dá).IDH1的R132H和IDH2的R172K突變體能產(chǎn)生高濃度的2-羥基戊二酸(2-hydroxylglutarate，2-HG)，進(jìn)而上調(diào)HIF-1α的表達(dá).6)動態(tài)，根據(jù)細(xì)胞內(nèi)環(huán)境及能量狀態(tài)的變化，細(xì)胞能量代謝信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的各成分在時空上都在發(fā)生著動態(tài)變化.

基于以上細(xì)胞能量代謝信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，目前的研究瓶頸和未來可能努力的方向有：

她身材高挑，留著修剪精細(xì)的短發(fā)，穿著一件質(zhì)地很好的灰色羊絨衫，臉色有些蒼白。老福心想，她雖然不算是個美人，但氣質(zhì)獨(dú)特，特別是她盯著人看的那雙眼睛，成熟而內(nèi)斂，讓老福感到了緊張。

1)原位

目前對代謝的研究集中在體外培養(yǎng)細(xì)胞和離體組織.體外培養(yǎng)細(xì)胞的培養(yǎng)環(huán)境不能很好地反映機(jī)體內(nèi)環(huán)境的真實(shí)情況；離體組織在處理過程中，迅速的缺血、缺氧等變化會導(dǎo)致細(xì)胞代謝發(fā)生劇烈變化，也很難反映動物體內(nèi)活體組織細(xì)胞在原位的代謝變化，因此急需開發(fā)新的代謝物標(biāo)記技術(shù)、蛋白和代謝物的原位無損檢測及微量檢測技術(shù).

2)實(shí)時動態(tài)

目前的各種檢查技術(shù)，包括組學(xué)和對代謝物的檢測，都是確定組織或細(xì)胞在某一時間點(diǎn)的各種生物分子的相對數(shù)量，很難對同一組織或細(xì)胞進(jìn)行動態(tài)檢測，了解各種生物分子在某一生命過程中的動態(tài)變化.亟待開發(fā)相應(yīng)的技術(shù)動態(tài)研究同一細(xì)胞、組織在不同生理情況下或不同發(fā)展階段的代謝變化，如細(xì)胞在分化、衰老、惡性轉(zhuǎn)化過程中的代謝變化，以及組織在不同生理、病理情況下的代謝變化.值得一提的是，最近Deplancke課題組[125]建立了一種利用射流力顯微鏡在RNA提取過程中保持細(xì)胞活力的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析方法——Live-seq，通過在不同的時間點(diǎn)對同一細(xì)胞進(jìn)行單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析和下游分析，開辟了單細(xì)胞瞬時動態(tài)分析的新領(lǐng)域.該技術(shù)有望拓展至質(zhì)譜分析，檢測蛋白和代謝產(chǎn)物.

3)區(qū)域化

在組織器官層面，由于組織器官內(nèi)部不同區(qū)域存在結(jié)構(gòu)和功能的差異，如腎臟的皮質(zhì)和髓質(zhì)、垂體的前葉和后葉、腫瘤的中心和四周等，目前尚缺乏對不同區(qū)域的原位代謝研究方法，開發(fā)這類研究方法也是下一步代謝研究的發(fā)展方向.

在細(xì)胞層面，不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和區(qū)域的代謝差異很大，目前盡管可以借助超高分辨熒光顯微技術(shù)了解細(xì)胞能量代謝信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的各組分在不同生理狀態(tài)下的空間(亞細(xì)胞、亞細(xì)胞器)分布的變化規(guī)律，借助質(zhì)譜技術(shù)了解細(xì)胞能量代謝信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中各組分含量在不同空間(細(xì)胞器)及多蛋白復(fù)合體中的變化規(guī)律，但是仍然缺乏檢測各種細(xì)胞器中代謝調(diào)控分子和代謝中間產(chǎn)物的方便、快捷的技術(shù)和方法，缺乏在活的單細(xì)胞水平上動態(tài)檢查代謝變化的技術(shù)和方法.

4)定量

目前對代謝調(diào)控分子和代謝中間產(chǎn)物的研究主要以定性描述為主，極其缺乏定量檢測的方法和手段.如缺乏定量測定活體組織內(nèi)部不同區(qū)域在不同生理、病理情況下代謝調(diào)控分子和代謝中間產(chǎn)物的技術(shù)和方法，同樣尚不清楚各種細(xì)胞器內(nèi)代謝調(diào)控分子和代謝中間產(chǎn)物的絕對定量.因此，代謝的定量研究任重道遠(yuǎn)，是今后需要努力的方向之一.

5)多參數(shù)

代謝網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜，要揭示某一特定代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律，必須同時考慮時間因素、空間因素、組織器官間的交流、細(xì)胞器間的交流等問題，必須同時具備對生物大分子如核酸、蛋白及代謝小分子的檢測方法.因此，測定多參數(shù)的多種方法的聯(lián)合應(yīng)用也是未來的一個發(fā)展方向.

總之，只有系統(tǒng)地揭示細(xì)胞能量代謝信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)行規(guī)律，才能為癌癥、肥胖、糖尿病、心血管疾病等因細(xì)胞能量代謝紊亂而引起的疾病的預(yù)防及治療提供理論基礎(chǔ)及藥物靶點(diǎn)，最終為提高人類的健康水平和生活質(zhì)量貢獻(xiàn)力量.