AMPK/mTOR 信號通路交叉調(diào)控在動物細胞營養(yǎng)代謝的作用

趙金波 ， 劉盈序 ， 黃合特， 李 偉， 高圣玥， 宋 巖，宋雪瑩， 王佳輝， 付 龍， 張志彬， 李兆華， 韓永勝

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)分院，黑龍江齊齊哈爾 161005；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林長春 130119；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明 650201）

線粒體是細胞能量代謝的重要細胞器， 是真核生物進行氧化磷酸化產(chǎn)生ATP 主要部位，糖類、脂肪和蛋白質(zhì)代謝產(chǎn)生ATP 的主要場所（Fogg等，2011）。 近些年來研究發(fā)現(xiàn)，細胞代謝平衡調(diào)控是由與之相關(guān)的信號通路所介導(dǎo)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，主要的關(guān)鍵信號網(wǎng)絡(luò)研究集中在mTOR 信號通路與AMPK 信號通路協(xié)同調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)機制， 這兩個信號通路能夠接受環(huán)境、 生長因子和營養(yǎng)水平的外源信號，激活該信號通路上下游基因和蛋白， 啟動動物營養(yǎng)代謝網(wǎng)絡(luò)， 進而維持動物能量平衡穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)（肖昊等，2015）。 mTOR 和AMPK 兩條重要的信號通路在動物細胞代謝調(diào)控中發(fā)生交叉調(diào)控，形成復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 進而改變細胞內(nèi)重要信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的構(gòu)象， 促進涉及動物細胞營養(yǎng)代謝的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子復(fù)合物的形成或降解，最終引發(fā)動物特定基因的表達， 引發(fā)靶細胞的生物學(xué)效應(yīng)。 因此本文系統(tǒng)總結(jié)了mTOR 和AMPK 信號通路在調(diào)控動物細胞代謝平衡機制和二者介導(dǎo)的能量、脂肪和蛋白質(zhì)調(diào)控的作用機制，意旨為優(yōu)化動物飼糧營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的合理利用提供技術(shù)參考。

1 mTOR 和AMPK 信號通路交互調(diào)控

1.1 AMPK/mTOR 結(jié)構(gòu)特征和存在形式 哺乳動物雷帕霉素蛋白（mTOR）是一種進化保守的絲氨酸和蘇氨酸蛋白酶 （周秀等，2018）， 主要由mTOR 復(fù)合物1 （mTORC1） 和mTORC 復(fù)合物2（mTORC2）組成（Couso 等，2016），具有調(diào)控動物細胞生長、代謝、增殖的重要功能（閔彥等，2014），mTORC1 是由mTOR 與Raptor 和mLST8 三種蛋白組成對雷帕霉素敏感的復(fù)合物， 該復(fù)合物執(zhí)行調(diào)控蛋白合成和感受細胞能量代謝的重要調(diào)節(jié)因子 （ Condon 等，2019），mTORC2 是由mTOR 與Rictor 和mLST8 三種蛋白組成的對雷帕霉素耐受的復(fù)合物（Liu 等，2010），該復(fù)合物執(zhí)行細胞極性和生長空間的調(diào)節(jié)功能（Fu 等，2020）。 mTOR 信號通路上下游轉(zhuǎn)導(dǎo)分子能夠感應(yīng)能量狀態(tài)， 并調(diào)控細胞的新陳代謝和細胞周期進程。 結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物1 和2（TSC1/2）是mTOR 信號通路上游信號負調(diào)控因子， 通過將有活性的GTP 結(jié)合的Rheb 轉(zhuǎn)化為無活性的GDP 結(jié)合形式， 從而負調(diào)控mTORC1（Deng，2019）。TSC 復(fù)合物可以傳遞許多刺激mTOR 信號通路上游分子，主要包括胰島素、生長因子和胰島素樣生長因子1，激活PI3K/Akt 和LKB1-AMPK-TSC1/2 上游通路，以適應(yīng)環(huán)境變化、營養(yǎng)匱乏的機體狀況，維持細胞代謝的穩(wěn)態(tài)平衡。 而mTOR 信號通路下游傳導(dǎo)分子主要包括真核細胞起始4E 結(jié)合蛋白1（4E-BP1）和核糖蛋白S 激酶1（p70S6K），這兩個效應(yīng)器能夠調(diào)控mRNA 轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯。

腺苷酸激活蛋白激酶 （AMPK） 屬于SNF1/AMPK 蛋白家族，是一種高度保守的蛋白激酶（Li等，2019），它是動物營養(yǎng)代謝的主要調(diào)控樞紐，其活性受細胞中AMP/ATP 比值的精準(zhǔn)調(diào)控，能夠激活分解代謝通路，促進線粒體合成更多的ATP，抑制合成代謝通路，維持細胞能量穩(wěn)態(tài)平衡。在營養(yǎng)匱乏情況下，AMPK 是抑制細胞生長的代謝關(guān)卡，抑制mTORC1 調(diào)控自噬信號通路上蛋白Atg1、Atg13 和Atg17 表達（Mizushima 等，2008）。 AMPK激活ULK1，抑制mTORC1，引起細胞自噬，保證了細胞代謝有充足的代謝物， 維持了線粒體自噬和線粒體穩(wěn)態(tài)平衡（Kim 等，2011）。

1.2 線粒體自噬穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié) 線粒體自噬信號通路也受AMPK/mTOR 協(xié)同調(diào)節(jié)，自噬調(diào)節(jié)又稱Ⅱ型細胞程序性死亡， 是細胞在自噬相關(guān)基因的調(diào)控下， 利用溶酶體降解自身受損的細胞器和大分子物質(zhì)，不僅幫助維持動物體穩(wěn)態(tài)，也與個體生長發(fā)育、分化與衰老密切相關(guān)。細胞自噬發(fā)生的過程主要包括4 個階段： 自噬誘導(dǎo)階段、 自噬成核階段、自噬體延伸階段、自噬體成熟階段和自噬體裂解階段（Russell 等，2011）。 AMPK 激活和mTOR抑制的相互作用下激活自噬啟動激酶（ULK1）（Moscat 等，2011）。有研究證明，mTORC1 可以通過刺激PGC-1α、SREBP1/2 和HIF1α 等線粒體自噬相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子控制能量代謝。 研究發(fā)現(xiàn)mTORC1被抑制12 h 后， 未發(fā)現(xiàn)PGC-1α 和HIF1α 損害線粒體功能， 因此可以推斷mTORC1 依賴的線粒體相關(guān)mRNA 翻譯變化先于轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控。

2 AMPK/mTOR 信號通路介導(dǎo)的動物能量代謝

2.1 AMPK/mTOR 信號通路介導(dǎo)能量代謝的互作機制 mTOR 作為糖類、 脂肪和蛋白質(zhì)動物機體三大營養(yǎng)物質(zhì)代謝樞紐的重要信號分子，mTORC1 能夠激活缺氧誘導(dǎo)因子1α （HIF-1α），促進糖酵解相關(guān)基因mRNA 表達而合成葡萄糖，進而參與調(diào)控能量代謝。當(dāng)動物體葡萄糖缺乏時，AMPK 信號通路被激活， 從而抑制mTOR 信號通路阻礙合成蛋白質(zhì)（Bolster 等，2002）。 體外培養(yǎng)奶牛乳腺上皮細胞，AMPK 能夠通過抑制mTOR信號通路活化， 抑制酪蛋白的合成 （Burgos 等，2013），母曉佳等（2022）研究體外培養(yǎng)奶牛上皮細胞， 探討葡萄糖和泌乳相關(guān)激素對其酪蛋白形成的影響，發(fā)現(xiàn)組合添加葡萄糖、雌激素和催乳素的添加量分別為14.0 mmol/L、100 ng/mL 和200 ng/mL時對BMECs 酪蛋白合成的促進效果最佳；葡萄糖和催乳素組合添加對酪蛋白合成的影響最大。 其原理在于葡萄糖和雌激素存在著協(xié)同關(guān)系， 葡萄糖作為信號分子通過AMPK/mTOR 信號通路調(diào)控酪蛋白轉(zhuǎn)錄和翻譯過程。 肖浩等（2019）用不同濃度精氨酸 （100、350 μmol/L） 和雷帕霉素（RAP）（0、10 nmol/L） 培養(yǎng)豬上皮細胞72 h 后， 在含100 μmol/L 或350 μmol/L Arg 的培養(yǎng)基中添加10 nmol/L RAP 極顯著降低了糖酵解過程中相關(guān)酶的mRNA 相對表達量，包括己糖激酶、丙酮酸脫氫酶、磷酸烯醇式丙酮酸激酶、檸檬酸合酶和異檸檬酸脫氫酶（P ＜0.01），同時顯著降低了脂肪酸代謝過程中脂肪酸合成酶和肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶的mRNA 相對表達量（P ＜0.05），這樣結(jié)果也表明抑制mTOR 信號通路顯著抑制了細胞呼吸代謝，mTOR 信號通路是精氨酸調(diào)控豬腸道上皮細胞能量代謝的主要通路。

2.2 靶向轉(zhuǎn)錄因子PGC1α 能量代謝調(diào)節(jié)機制AMPK 信號通路靶向轉(zhuǎn)錄因子PGC1α 是目前研究能量代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子（王慧婷等，2020），在肝臟代謝方面，動物機體從進食狀態(tài)到禁食狀態(tài)，肝臟代謝會發(fā)生很大變化，禁食后肝臟中PGC1α的mRNA 表 達 量 極 劇 提 升 （Rowe 等，2014），PGC1α 能夠直接靶向肝臟轉(zhuǎn)錄共激活因子如HNF4α、PPARα、GR、FOXO1、FXR 和LXR， 開啟動物機體禁食后的所有代謝反應(yīng)（Rui 等，2014）。在骨骼肌代謝方面，PGC1α 一方面通過增加脂肪酸氧化水平而暫停葡萄糖氧化進而調(diào)控肌肉的能量代謝（Halling 等，2020），另一方面，可以通過抑制葡萄糖氧化來增加糖原的儲備， 從而為骨骼肌運動收縮提供能源準(zhǔn)備（Cao 等，2014）。 AMPK 信號通路另外一個靶向轉(zhuǎn)錄因子是缺氧誘導(dǎo)因子1α（HIF1α）和組蛋白去乙?；福℉DACs），研究發(fā)現(xiàn)，MBH 神經(jīng)元HIF1α 的缺失導(dǎo)致小鼠血清中胰島素含量顯著增加， 小鼠胰島素的水平與體重變化呈正相關(guān)，HIF1α 的缺失會導(dǎo)致下丘腦對葡萄糖敏感性降低，小鼠食欲增加（艾孜買提等，2021）。 Catania（2011）發(fā)現(xiàn)在外周代謝相關(guān)組織中，mTORC1 通路具有重要的功能，從調(diào)節(jié)肌肉中的氧化代謝，到水的分化和B 細胞依賴性胰島素分泌都起著一定的作用。并且在胰島素循環(huán)、瘦素和營養(yǎng)水平增加的反應(yīng)中，mTORC1 通路會出現(xiàn)下調(diào)和在外周組織中的過度活躍。HDACs 會結(jié)合FOXO 轉(zhuǎn)錄因子并促進其乙?；?， 進而增加了編碼葡萄糖-6-磷酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶糖異生相關(guān)基因的表達（Mihaylova 等，2011）。

3 AMPK/mTOR 信號通路介導(dǎo)的動物脂類代謝

3.1 AMPK/mTOR 信號通路介導(dǎo)脂類代謝相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子 動物脂類代謝受AMPK/mTOR 信號通路 的 直 接 調(diào) 控 （Wang 等，2020），mTORC1 和AMPK 的下游調(diào)控因子過氧化酶增殖物激活受體（PPARr）（Diniz，2019）， 在細胞中促進脂肪的生成，mTOR 信號通路被激活，促使4EBP1 磷酸化，增加PPARr 翻譯，進而促使脂肪合成、脂肪細胞分化及影響脂肪細胞穩(wěn)定（陳興勇等，2022）。有研究表明抑制劑T0070907 對雞成纖維細胞cPPARγ 的表達起到促進作用（王宇祥等，2020），給母雞注射雌二醇可以上調(diào)肝臟中PPARγ 基因的表達（任俊曉，2017），增加脂肪酸和甘油三脂的合成。 飼料中添加棕櫚油和共軛亞油酸可以下調(diào)PPARγ 基因表達水平， 減少腹脂的沉積（Moraes等，2016）。這些研究也證明了PPARγ 是目前研究脂質(zhì)代謝的熱點， 可以作為調(diào)控腹脂沉積的標(biāo)志基因，用于高效選種。 而AMPK 作為乙酰輔酶A羧化酶和HMG 輔酶還原酶的上游酶， 這些酶一般都是脂肪酸和膽固醇合成過程中的限速酶，通過激活A(yù)MPK 信號通路抑制下游靶基因來減少脂肪合成效率（Zhao 等，2019）。 AMPK 信號通路上的調(diào)控脂肪合成的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子是脂肪生成轉(zhuǎn)錄因子（SREBP1），有研究表明，SREBP1 是介導(dǎo)脂肪代謝的主要調(diào)控因子（Li 等，2011），AMPK 通過磷酸化乙酰輔酶A 羧化酶（ACC1 和ACC2），同時也磷酸化SREBP1 進一步調(diào)控脂肪代謝（Liu 等，2019），此外，AMPK 也可以調(diào)控葡萄糖敏感轉(zhuǎn)錄因子（ChREBP）磷酸化，從而與SREBP1 一起交叉調(diào)控脂質(zhì)代謝的相關(guān)基因的表達 （Balamurugan 等，2022； Agius 等，2022）。 同 樣，SREBP1 作 為mTORC1 信號通路的下游分子，mTORC1 激活后可以增加SREBP1 的蛋白表達水平，還可以誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白應(yīng)答，從而促進SREBP1 高爾基體內(nèi)剪切修飾， 促進脂肪的合成 （Bakan 等，2012）。 這也證明了AMPK/mTOR 信號通路協(xié)同完成動物機體細胞脂肪分解代謝和脂肪的合成代謝，從而維持動物機體能量代謝的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。

體內(nèi)研究表明，mTORC1 下游的核糖體蛋白S6 激酶beta-1（S6K1）可以通過固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白（SREBPs）調(diào)節(jié)脂肪生成和脂質(zhì)合成。S6K1也被證明涉及胚胎干細胞向早期脂肪細胞祖細胞分化的過程 （Lefterova 等，2014；Le Bacquer 等，2007）。 研究表明，mTORC1 復(fù)合體組成蛋白質(zhì)DEPTOR 過表達會促進白色脂肪生成和脂質(zhì)合成（Laplante 等，2012）。 RAPTOR 敲除的間充質(zhì)干細胞顯示出脂肪生成能力下降， 而形成成骨細胞能力提升的現(xiàn)象。 同時，在野生型和RAPTOR 敲除鼠應(yīng)對長期冷誘導(dǎo)和交感神經(jīng)刺激的研究中顯示，野生型小鼠出現(xiàn)米色脂肪數(shù)量增加，UCP1 表達量升高的現(xiàn)象，驗證了RAPTOR 正調(diào)控米色脂肪生成和產(chǎn)熱的作用（Lee 等，2016）。 mTORC1 特異性抑制劑雷帕霉素也會阻礙白色脂肪棕色化和UCP1 表達，并且脂肪組織的顏色變淺（Tran 等，2016；Liu 等2016）。因此，推測雷帕霉素可能抑制了mTORC1 中的RAPTOR，從而發(fā)揮減少白色脂肪組織中米色脂肪數(shù)量和UCP1 表達量的作用。

3.2 miRNA 靶向調(diào)控脂類代謝 一些miRNA可以通過mTOR 通路調(diào)控脂肪生成和脂質(zhì)合成。有研究表明，miR-103 過度表達可以促進mTOR和S6K1 磷酸化， 從而解除了肌細胞特異性增強因子2D（MEF2D）抑制脂肪生成的作用（Li 等，2015）。 這也解釋了miR-103 過表達能促進PPAR-γ 的mRNA 和蛋白質(zhì)表達水平， 促進豬前脂肪細胞分化和脂質(zhì)合成的研究結(jié)果（李美航等，2012）。 在小鼠和人類的棕色脂肪細胞分化過程中， 始終觀察到miR-199a-3p 的表達模式下降。雙熒光素酶報告研究表明，miR-199a-3p 直接靶向mTOR 基因的3'UTR， 確認(rèn)了mTOR 作為miR-199a-3p 的直接靶點， 抑制棕色脂肪細胞分化和產(chǎn)熱（Gao 等，2018）。 總之，隨著非編碼RNA受到越來越多的關(guān)注，將來對非編碼RNA 的研究會越來越受到重視。

4 AMPK/mTOR 信號通路介導(dǎo)的動物蛋白質(zhì)代謝

4.1 蛋白質(zhì)代謝上下游調(diào)控因子 mTOR 信號通路介導(dǎo)的動物蛋白質(zhì)代謝分為上游調(diào)控和下游調(diào)控，上游調(diào)控因子主要有PI3K、蛋白激酶B、結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物蛋白1/2（TSC1/TSC2）和RAS 蛋白腦組織同源類似物（Rheb），下游調(diào)控因子主要有核糖體蛋白S6 激酶1（S6K1）和真核生物起始因子4E 結(jié)合蛋白1（4EBP1），這兩個蛋白質(zhì)代謝重要調(diào)控因子，也是mTOR 信號通路的下游信號分子（Yang 等，2007）。

4.2 AMPK/mTOR 信號通路調(diào)控蛋白質(zhì)代謝的機制 飼糧氨基酸水平、 蛋白質(zhì)水平都會引起mTORC1 活性改變，激活后的mTORC1 通過磷酸化S6K1 和4E-BP1 通路而影響轉(zhuǎn)錄調(diào)控，從而對蛋白質(zhì)合成的轉(zhuǎn)錄起始起到調(diào)控作用（Suryawan等，2008）。 張靜靜等（2021）利用低蛋白日糧添加蛋白酶飼喂肉雞，檢測mTOR 信號通路下游調(diào)控基因的表達情況， 發(fā)現(xiàn)低蛋白日糧中添加蛋白酶組的核糖體蛋白S6 激酶1 和真核翻譯起始因子4E 結(jié)合蛋白1（4E-BP1）基因的表達量顯著高于低蛋白質(zhì)組， 這也提示低蛋白日糧中添加蛋白酶能夠提高mTOR 信號通路上相關(guān)基因表達，促進蛋白質(zhì)合成代謝，增加骨骼肌蛋白質(zhì)的合成。羅鈞秋（2011）研究發(fā)現(xiàn)，日糧氨基酸模式不同引起機體內(nèi)分泌機能和氨基酸流通狀態(tài)產(chǎn)生差異， 進一步通過細胞蛋白質(zhì)合成代謝mTOR 途徑和泛素-蛋白酶蛋白降解途徑（UPP），實現(xiàn)不同蛋白源對蛋白質(zhì)代謝過程進行調(diào)控。 以上結(jié)果也證實日糧氨基酸供應(yīng)模式會顯著影響AMPK/mTOR 信號通路介導(dǎo)的蛋白質(zhì)代謝過程。

5 小結(jié)與展望

動物機體代謝平衡的調(diào)控是由多個與之相關(guān)的信號通路所介導(dǎo)的， 其中mTOR 作為糖類、脂肪、 蛋白質(zhì)等機體三大營養(yǎng)素代謝樞紐的信號分子，能夠整合和接收飼糧營養(yǎng)水平、環(huán)境壓力等因素對細胞的刺激， 通過該信號通路上下游調(diào)節(jié)因子，從而調(diào)控細胞的新陳代謝和細胞增殖、生長。同時AMPK 協(xié)同mTOR 促進分解代謝通路和合成代謝通路的動態(tài)平衡， 保證細胞代謝的營養(yǎng)供應(yīng)，維持動物機體細胞自噬和線粒體穩(wěn)態(tài)平衡。因此， 研究AMPK/mTOR 信號通路交叉調(diào)控動物營養(yǎng)代謝的網(wǎng)絡(luò)機制，一方面，要著重從系統(tǒng)角度出發(fā)探索外源營養(yǎng)素和活性因子及其組合效應(yīng)對AMPK/mTOR 信號通路上下游效應(yīng)因子的調(diào)控作用，也可以從表觀遺傳修飾角度入手，研究營養(yǎng)活性物質(zhì)對組蛋白修飾、 染色質(zhì)重塑等方面的作用機理， 意旨在為優(yōu)化動物飼糧能源結(jié)構(gòu)的合理利用提供技術(shù)參考。 另一方面， 也可以從非編碼RNA 介導(dǎo)調(diào)控糖類、脂肪和蛋白質(zhì)的靶基因的調(diào)控機制進行深入研究，意旨在為miRNA 作為新型外源飼料添加劑的應(yīng)用提供理論參考。