氨基酸感知与代谢调控的研究进展汇总

1、动物营养学报，（）： ?：? 氨基酸感知与代谢调控的研究进展许丹丹何艮 ?（中国海洋大学水产学院 ，水产动物营养与饲料农业部重点实验室，海水养殖教育部重点实验室，青岛 ）摘 要：氨基酸不仅是蛋白质和其他含氮化合物合成的重要前体，还参与体内主要代谢途径的调控 。 当氨基酸不足时 ，机体内多种机制参与调节体内平衡，包括快速停止蛋白质合成、增加氨基酸合成和转运 ，以及加强自噬作用 。 越来越多的学者证明氨基酸可作为信号分子参与细胞内信号传导过程 ，可以调节其他营养素如脂肪和能量的代谢，最终导致机体整体代谢的改变。 本文主要综述细胞内氨基酸的营养感知与应答机制，涉及氨基酸应答 （）和雷帕霉素靶蛋白（）

2、条信号转导通路 ，并探讨这 条信号通路对下游营养素代谢途径的调节。关键词 ：氨基酸感知 ；氨基酸应答 ；雷帕霉素靶蛋白 ；代谢中图分类号 ：； 文献标识码 ：文章编号 ： （?） ?当环境发生大范围改变，如盐度 、酸碱度或者合物 ，分别是对雷帕霉素和营养素敏感的复营养素等发生变化，多细胞生物体本身的内稳态合体 （，）和对雷帕霉素和营机制能够保证其存活。对高等动物的研究表明，养素不敏感的 氨基酸代谢库中氨基酸的组成与含量变化引起不。 在哺乳 动 物细 胞中，主 要 包 含 有 、调 节 相 关 蛋 白同的细胞应答 ，由相关信号传导系统介导，调控下（，）和游效应因子 ，实现蛋白质的合成与降解、基因

3、表达哺乳动物酵母同源致命因子蛋白 （?与抑制以及营养素的新陈代谢，最终在宏观上表，）成分，现为动物生长发育等经济性状的差别而 主要包含有、对雷帕霉素不敏感的。目前已?，知在细胞水平上有条信号通路可感知氨基酸含伴随物 （量，条为感知氨基酸丰度的雷帕霉素靶蛋白（?）、哺乳 动 物 应 激 激 活 蛋 白 激 酶 作 用 蛋 白，）信号系统 ，条为感知氨基（）、和富含脯氨酸蛋白（酸平衡的氨基酸应答（，），）成分 信号通路。可以综合细胞内氨基酸 、生长因子 、应激等信号，进而控制着多种主。要的细胞生命活动 ，例如蛋白质合成、脂肪合成 、信 号 通 路的 氨 基 酸 感 知 与 代 谢能量代谢和自噬等过

4、程，。主要由生长调节因子激 活，进 而 通过 磷脂 酰肌 醇 激 酶 （信号通路与氨基酸感知，）依 赖的 核糖?体辅?助和是一种高度保守的丝氨酸苏氨酸激酶 ，磷酸化蛋白激酶、相关 （）激酶家族 ，进它接收并整合来自细胞内的氨基酸、生长因子 、能而控制着细胞的存活、肌动蛋白细胞骨架的组织量状 态 和 应 激 等 信 号，调 节 细 胞 的 生 长 和 代和其他生命过程。谢、畜禽和对 激活的机制已在哺乳动物。存在 个结构和功能上有差异的复 收稿日期 ：基金项目 ：国家自然科学基金 （）；国家 计划 （）作者简介 ：许丹丹 （），女，山东枣庄人 ，博士研究生 ，从事水产动物蛋白质代谢研究。 ?：?

5、通信作者：何艮，教授 ，博士生导师，?：期许丹丹等 ：氨基酸感知与代谢调控的研究进展鱼类中进行了广泛研究，定位在溶酶体表面 ，需要一个锚定分子，而。其一 ，胰岛素可以多聚复合物就是介导二者结合的骨架，其激活 的活性 。 胰岛素或类胰岛素生长因子（）首先与细胞膜表面的受体结合，使胰岛是由有丝分裂原激活蛋白激酶衔接蛋白（）、素受体底物 （，）磷衔接蛋白 （）和衔接蛋白 （）组成的三酸化 ，继而 使 在细胞 膜聚 集。 通过 磷聚体 。 当氨基酸改变时 ，溶酶体膜上的 ?酸肌醇 依 赖 激 酶 （）磷 酸 化 蛋 白 激 酶 调节 的氨基酸应 答 反 应。 高 度 保 守 的（，）。可通过 种途径激

6、活 ? 由个组 分 组成，包括 结构 域和 ：磷酸化的结节性硬化症复合体（）使结构域 。 结构域的 水解介导细胞质中的复合物去抑制 ，通过脑组织中丰富表质子通过 结构域的通道泵入溶酶体中。 结达的同 源 类 似 物 （构域与 和相互作用，其作用，）鸟苷三磷酸酶 （）激活 ；受氨基酸调节 ，当氨基酸缺乏时其作用加强，当氨也可通过磷酸化富含脯氨酸亚基 基酸充足时作用减弱。结构域的水解对于 与的相 互作 用 是必 需的，（）激活 。 其二 ，氨基酸可以激活 的 活 性。 氨 基 酸 信 号 如 何 传 递 至从而激活 。无论是果蝇还是哺乳动物细胞目前还知之甚少，但是一些重要的信号传中，氨 基 酸 均

7、 引 起 溶 酶 体 膜 上 ?与递蛋白已逐渐被发现 和相互作用，从而调节的要的步骤是由氨基酸招募。氨基酸感知一个至关重活力 至溶酶体膜上 ，其中 对附着在溶酶体膜上起至关重。饲 料 高 蛋 白 质、氨 基 酸 和 胰 岛 素 均 能 激 活要的作 用信号系统 ，影响虹鳟的多种代谢过程，对 所有可 以 激活 的信 号 来基酸对动物 信号通路调控作用的研究发现。氨讲都是必需的 ，。然 而，敲 除 的 小 鼠 胚 胎 成 纤 维 细 胞去除组织培养液中的氨基酸，显著抑制了（）仍然可以感知氨基酸的缺乏，意味着存在下游信号应答蛋白核糖体蛋白激酶 （其他非 ?途径的复合物参与到氨基酸感，）和 真 核 起

8、 始 因 子知的过程中 。 在溶酶体上的激活模型已被结合 蛋 白 （广泛接受 ，其受氨基酸含量调节，涉及多个蛋白酶 ? ，?）磷酸化 作 用；氨 基酸复合体 ，包括 、调节子 （）和空 恢复至基础水平，恢复了下游信号传导物的活性或 磷 酸 化 作 用和 人泡 ? 酶（ ? ）。共有 个亚基 ，分别是 、和 ，其中通。 在 对 啮 齿 动 物类的体内体外研究发现，氨基酸种类对常 和 、和 聚集组成没有功信号传导的调控作用存在差异，亮氨酸和精氨酸能的二聚体 ，它们通常常驻在溶酶体膜上。复的调控作用较强，特别是亮氨酸 。合物与鸟苷三磷酸 （）或鸟苷二磷酸（）的信号通路控制蛋白质合成结合是受氨基酸调控

9、的。 细胞经过氨基酸刺激之调控着整体的翻译水平，进而促进细后结合核苷酸时开始翻转，和 分胞生长和生命延长。的下游蛋白包括?别与 和 结合 ，这是一种 二聚体活化和 ，它们以磷酸化的方式调控着的状态 。 当氨基酸充足时， ?多方面的翻译功能 激 活复合 体 与 复 合体 的 。蛋白质合成的限速步骤是翻译起 始，在 这 个 过 程 中 小 核 糖 体 亚 基 聚 集 到相互作用而成为停靠位点，使 停靠在溶酶端，识别起始密码子，随后完整的核糖体体的表面 。 当处于氨基酸缺乏状态时，分也聚 集 其 上 完 成 翻 译散在整个细胞中 ，而当加入氨基酸刺激后。 小 核 糖 体 亚 基 与， 的结 合 需

10、要 真 核 细 胞 转 录 起 始 因 子 （重新分布在含有溶酶体和晚期核内体标志蛋白溶，）复 合体酶体相关膜蛋白 （）和小 酶结合蛋结合到 帽子结构 。 复合体包含白 （）的小泡中 。 这意味着可个起始因子 ，即 、和，其中 以 将 氨 基 酸 信 号 传 导 到 与 帽子结构结合是组装复合体的关键，它 。 动物营养学报卷能够召集和的结合 。而 与 结合抑制了 复合体形成 。 当 信号通路激活后 ，磷酸化 ?使与之分离，募集 和，起始 蛋 白 质 的合成 。的 另 一个 重要 应答 因子 是 ，由磷酸化激活 。 研究表明 ，在蛋白质翻译中调节翻译起始过程 ，且协同调节核糖体的生物合成 ，从而

11、使翻译更加高效。有多个效应因子 ，的磷酸化可以磷酸化下游核糖体蛋白（），转录起始因子 ，抑制胰岛素受体底物 （）、?凋亡蛋白 （）以及对真核细胞延伸因子 （，）有抑制作用的 激酶 （）等，从而调节蛋白质合成 、糖脂代谢 、细胞大小和分裂以及细胞存活等细胞过程 。是第 个被鉴别的 底物，同样 ，的磷酸化作用也是被研究的最彻底的一个 。 有 个磷酸化位点 ，分别为苏氨酸 、和 位点 ，其中苏氨酸 位点为最重要的磷酸化位点。磷酸化促进了核糖的细胞中 调控着糖酵解 、甾醇和脂质的合? 成，另外 ，磷酸戊糖途径也受 的调控大量报道显示。可以激活转录因子固醇调节元件结合蛋白（，）。?是 转录? 因 子 固

12、醇调节元件结合蛋白家族（）的一员 ，调控着脂肪合成相关酶的表达，以及脂肪和胆固醇的稳态 。 完整的 主要?存在于内质网膜上，在各种刺激物的作用下，如降低的甾醇 、胰岛素或者饱和脂肪酸水平，使 从内?质网运送到高尔基体 ，在高尔基体内前体?被激活。被激活后的 进而?被转运到细胞核内，在细胞核内 激 活和 促 进 甾醇 调节 原件 和 相 关基 因表达。通过促 进 转 录、翻 译和翻译后的加工 ，使其活性提高，从而诱导甾醇和脂肪的合成 ，以及磷酸戊糖途径相关基因的转录由 上调的 活性?对于由。磷酸化引起的脂肪合成是必需的。也 可 以促 进 缺氧 诱 导因 子 （，）基因表达 ，这是通过 ? 体 和

13、 端 寡 嘧 啶 束 （ ?依赖的方式调控其翻译，?），的 亲和力，从而 诱导 。可激活个涉及到细胞内代谢和细胞适应低氧环境的进行 有 效翻 译基因的转录 ，且 依赖性的的激活足以。主 要上调这些基因的表达编码核糖体蛋白和其他翻译过程的必需蛋白蛋白质合成代谢主要受。 对糖酵解途?径的信号通路调节，激活被认为是低氧代谢适应的关键，通过增加葡而蛋白质分解则主要是通过泛素萄糖转 化 为 丙 酮 酸 盐 进 而 分 解 为 乳 酸 来 实 现。蛋白酶体通路调控也 ?可以 间 接 激 活 丙 酮 酸 脱 氢 酶 激 酶。然而 ，鱼类蛋白酶体的活性对营养状况敏感与否仍有待验证。 近年来 ，国外学者（），通

14、过三羧酸循环（）来有效抑制代谢也针对鱼类肌肉组织中的蛋白质降解和特定氨基过程酸对 信号途径的激活状态开展了探索性研。当营养素变化后，通过调节 和 的活?性，从而使机体能量代谢和脂肪究系合成代谢发生适应性改变。另一重要功能。研究发现 ，饲粮氨基酸含量是激活是，可以调控线粒体数量和功能。在小鼠骨骼肌统的有 效 途 径，比 如 通 过 添 加 谷 氨 酰 胺 来 激 活信号通路 ，可提高生长性能中，缺乏 导致调控线粒体生物合成酶的表入不足或氨基酸不平衡会导致。而蛋白质摄达量降低 ，且氧化能力损失，等发水?平下降 ，而结合蛋白（）水平升?高，共同作用于现 促进 了 转 录因 子 联 合 激 活 因信号

15、通路 ，引起生长抑制子 （）的转录活性 ，其在调节线粒体合成。和氧 化 代 谢 方 面 起 重 要 作 用。 另 外，目 前 对 于信号通路与糖脂代谢调控尽管目前对于和代谢调控的研究尚处信号如何影响和调节转录网络的了解仍然于初级阶段 ，但已有不少结果显示可以在很少 ，仍需要大量的工作。很多组织器官中，从转录 、翻译和翻译后水平上调与 受抑制时对相关基因表达的调节控多条代谢通路一致 ，或 ?突 变 的小鼠 表现出 极大的。在淋巴瘤细胞中，雷帕霉素抑制 活性改变了许多代谢酶基因的表达，代谢改变 。 缺失的小鼠由于降低了细胞结合代谢图谱和基因表达结果分析显示，在培养的数量显现出低胰岛素症状，但是同时

16、也升高了期许丹丹等 ：氨基酸感知与代谢调控的研究进展对胰岛素信号的敏感性。另外 ，缺失的小鼠能够抵抗由饮食和年龄引起的肥胖，尽管摄食量未受影响 ，的缺失通过增加甘油三酯的分解阻止了脂肪在脂肪组织的富集，并增加了脂肪酸在脂肪组织和肌肉中的氧化。 而 ?和?缺失的小鼠表现出相反的表观症状，尽管这些小鼠都正常存活，但与正常野生型小鼠相比在 周的研究时间内，它们明显肥胖且体重增加，这些小鼠脂肪组织的重量显著升高，且血浆中的胰岛素和胆固醇的水平升高，进而建立起研究肥胖的模型。大量研究证明，信号系统与氨基酸应答通路在从酵母到人的不同生物中功能保守，信号通路上的大部分信号蛋白，如 、和 ?，都已经 在 虹

17、鳟上 证 明 是保 守 性 存 在的，、氨 基。体内 和 体 外 试 验 表 明 胰 岛 素酸、胰岛素和氨基酸、植物蛋白质源替代均以及碳水化合物和蛋白质比例不同的饲粮，显著影响 信号通路和肝脏中的次级代谢相关的基因表达。简要来讲 ，信号通路和其他相关因子的响应状况与畜禽和其他高等动物中的研究结果一致。在斑马鱼中的研究结果表明，餐后 通路被激活 ，饲喂显著上调了餐后糖酵解基因 葡萄糖激酶 （）、己糖激酶 （）和脂肪合成基因 脂肪酸合成酶（）、葡萄糖 磷酸脱氢酶 （）、乙酰辅酶 羧化酶（）的表达 ，显著抑制了斑马鱼肝胰脏糖异生基因磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（）和脂肪分解途径 关 键 酶 基 因 肉 碱

18、 棕 榈 酰 基 转 移 酶 （）的表 达 。 而腹 腔注 射 雷帕 霉 素 后，显著下调虹鳟脂肪合成和糖酵解途径关键酶基因的表达 。这表明 氨 基 酸和 胰 岛素依 赖的 通路的激活或抑制调控鱼体糖脂代谢过程。 信 号通 路 的 氨 基 酸 感 知 与 代 谢调节信号通路与氨基酸应答蛋白质缺乏或必需氨基酸缺乏将激活氨基酸应答 通 路。 一 般 来 说，酵 母 转 录 激 活 因 子（）作为氨基酸感知传感器，通过与非负载结合从而感知细胞内氨基酸含量，当 与任 一 非 负载 转 运 （）结 合 均 能激 活，从而使 信号通路激活 。 当氨基酸缺乏时 ，细胞内空载 增多 ，使 激酶去磷酸化被激活

19、，进而引起 丝氨酸 位点的磷酸化 。 的磷酸化使体内大部分蛋白质的合成减少 ，但也会通过转录水平调控另一些基因的表达 。 转录 激 活 因 子 （，）就是其中之一 ，当氨基酸缺乏时上调其表 达 量。 与 增 强 子 结 合 蛋 白（ ，）形成二聚体 ，与 激活转录因子应 答元 件（，）结合 ，激活大量下游基因转录 ，包括氨基酸转运载体 、氨基酸代谢酶 、氧化状态调节因子 、能量调节因子等 ，从而调控着细胞内的氨基酸缺乏应答 。研究发现 ，在人肝癌细胞系 （）细胞培养液中任何一种必需氨基酸缺乏都可以激活信号通路 。另外 ，的磷酸化也是会提高其他转录调节因子水平 ，包括转录因子 以 及 生 长 停

20、 滞 与 损 害 可 诱 导 基 因 （）。最重要的是当必需氨基酸缺乏时 ，可以诱导氨 基 酸转 运 载 体和 氨基 酸合 成 酶 基因 的表达，从而促进氨基酸的合成与吸收，保证正常的生理机 能。 还 可 上 调 其 他 基 因 转 录，如 、和 同源蛋白 （），这些可以作为 的负调节因子，。在动物中 ，饲喂低蛋白质的饲粮会增加表达量和活性 。细胞感知多种胁迫信号均可上调的表达 和等发现 基。等因的表达量受氨基酸应答和通路的上调，这些调节分别需要激酶 和蛋白激酶样内 质 网 激 酶 （）。 在 敲 除 和敲除 的纤维母细胞中发现，表达量显著降低。 在营养缺乏情况下，信号通路的激活对癌细胞存活和

21、增殖有至关重要的作用。关于 调控的下游目的基因及其具体功能在 等的综述中有详尽的描述。另外，受 调 节 的 下 游 基 因 ?和 发 育 和损伤 应 答 调节 基 因 （，）均 为信号应答通路的负调节因子，且 条信号通路均可通过调节 的表达来而调控合成代谢，说明在营养状态改变时，条信号通路共同作出应答使机体处于最优生长状态。动物营养学报卷信号通路与代谢调控究均证 明 饲粮 必 需 氨基 酸缺 乏显 著 影 响脂 肪合氨基酸的不平衡不仅可以调控氨基酸代谢，成，即饲粮中氨基酸的含量会影响到体内非蛋白而且会对糖脂代谢造成显著影响。当必需氨基酸质类营养物质的动态平衡。缺乏时 ，是蛋白质和脂肪代谢过程中

22、关键的信号通路与摄食调控代谢调节因子当以某一种必需氨基酸缺乏的饲粮饲喂动物。氨基酸缺乏会激活信号通路 ，导致细胞内大多数蛋白质的翻译起始受时，这种不平衡会很快被动物体所识别并降低摄抑制 ，从 而 抑 制 体 内 大 部 分 蛋 白 质 的 翻 译食量 。 事实上 ，血浆中的氨基酸缺乏是和摄食量。作为氨基酸缺乏时的感受器能够感知任何的降低直接联系起来的，研究还发现大脑的前梨一种必需氨基酸的缺乏，磷酸化抑制细胞内状皮质区域可以监测到蛋白质的质量或者氨基酸大多数蛋白质的翻译起始，从而降低整体蛋白质的平衡性合成 。 因此 ，能够确保维持生长和细胞功能。氨基酸应答通路对摄食量的调控方式为 ：氨基酸不平衡

23、时缺乏的氨基酸相应的最低氨基酸量；同时 ，可以调节特异基因出现去乙酰化 ，激活 激酶 ，进而磷酸化转录的翻译 。 在酵母中研究发现，转录因子的启动因子，引起摄食量下调、抑制蛋白质合翻译可促进一系列基因的表达，包括所有的氨基成。有非常保守的、调控氨基酸平衡的酸合成酶 、氨基酸转运载体，以使酵母抵抗氨基酸功能 ，在酵母中它通过调控氨基酸合成而获得氨缺乏应激 基酸平衡 ；在哺乳动物和畜禽中是通过调控摄食。信号通路可以保证足够的氨基酸前体的供应，从而使机体在必需氨基酸缺乏行为进行 。 在饥饿的动物中，通过抑制蛋白时维持关键蛋白的合成。同酵母一致 ，哺乳动物质合成从而减少肌肉重量对氨基酸缺乏也有一套应答

24、机制。对 敲除小鼠，包括提高氨的研究 发 现，大 脑 对 氨 基 酸 不 平 衡 的 识 别 需 要基酸合成酶和氨基酸转运载体的表达量，同时降感 知 细胞 内 空载 的 量低整体蛋白质的合成。敲除 基因的小鼠当。敲饲喂氨基酸平衡的饲粮时可以正常存活，但当饲除的成纤维细胞和肝癌细胞中的微阵列分析显示调控着大量的和氨基酸转运、代谢 、氧化状喂氨基酸不平衡的饲粮时发育受损。敲除 态和能量调控相关的基因，的 细 胞，在氨 基酸 缺 乏 状 态下，不 能 使 磷。体内研究发现，酸化，给 敲除小鼠饲喂亮氨酸缺乏的饲粮会导致。，信号通路还可其肌肉生长受损 ，但是并未引起肝脏损伤，而在野除调节蛋白质的翻译外生小鼠中 ，亮氨酸的缺乏同时降低了肌肉和肝脏调节机体脂肪代谢 。 等发现饲粮缺乏亮氨的重量 酸后影响了小鼠脂质代谢过程：当亮氨酸缺乏时，。小鼠肝脏和脂肪组织中甘油三酯的合成受抑制；小结但敲除 基因的小鼠摄食亮氨酸缺乏的饲粮后肝脏脂