氨基酸代謝物與線粒體自噬

王夢妍,褚秀玲,王琪琳

(1. 聊城大學 生命科學學院,山東 聊城 252059;2. 聊城大學 農學與農業工程學院 山東 聊城 252059)

1 引言

在活性氧(ROS)脅迫、營養缺乏、有毒化學物質以及細胞衰老等外界條件的刺激下,線粒體DNA(mtDNA)突變會逐漸累積,細胞內線粒體的膜電位會降低乃至去極化而受損。為了維持線粒體和細胞穩態,防止受損線粒體損傷細胞,損傷的線粒體被特異性標記并被特異性包裹進自噬體中,然后與溶酶體融合,從而在溶酶體中完成降解過程(見圖1)。線粒體自噬是一種通過特異性清除細胞質中功能失調的線粒體從而維持線粒體功能完整性和細胞穩態的選擇性自噬。線粒體自噬廣泛存在于哺乳動物中,對于維持細胞內的線粒體平衡、線粒體質量控制具有重要作用,因此調節線粒體自噬或許能成為治療某些疾病的一個新方向。

圖1 線粒體自噬的主要過程(引自Lu Y, et al. 2023)

氨基酸是蛋白質合成的基本單位,它們也可以作為碳源為細胞提供生物能源;另外,某些氨基酸可以作為信號分子參與信號轉導,比如氨基酸能被相應的傳感器感知,導致哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)的激活和自噬通量的抑制[1]。一些氨基酸相關代謝物在相應條件下,可作為線粒體自噬的調節因子。線粒體自噬缺陷會導致受損線粒體的積累,這與多種疾病的發病機制有關。本文重點介紹了谷氨酰胺(氨)、γ-氨基丁酸、一氧化氮、亞精胺、褪黑素、半胱氨酸以及谷胱甘肽等氨基酸代謝物對線粒體自噬調控機制的研究進展,為進一步研究氨基酸代謝物調控線粒體自噬機制提供一定的理論基礎。

2 谷氨酸代謝物與線粒體自噬

2.1 谷氨酰胺與線粒體自噬

谷氨酰胺作為最豐富的氨基酸,是核苷酸、氨基酸和六胺生物合成的氮源,也是谷氨酰胺分解為三羧酸循環中間物提供生物能的碳源,還可以參與線粒體自噬[2]。在谷氨酰胺分解過程中,谷氨酰胺通過氨基酸轉運蛋白ASCT2/SLC1A5進入細胞,并在線粒體中被谷氨酰胺酶(GLS)催化轉化為谷氨酸,谷氨酸再被谷氨酸脫氫酶或丙氨酸或天冬氨酸轉氨酶轉化為三羧酸循環的中間物α-酮戊二酸和氨。谷氨酰胺對自噬的調控較為復雜:一方面,谷氨酰胺生成的氨可以促進線粒體自噬,通過產生的氨來調節溶酶體的pH值,從而調控溶酶體內的降解過程以滿足細胞活動的需要[3];另一方面,谷氨酰胺可以間接激活mTOR,抑制自噬。氨以前被認為是癌細胞中可擴散的自噬誘導分子。研究發現,添加氨可增加哺乳動物細胞中BNIP3(Bcl2相互作用蛋白3)、PINK1(PTEN 誘導的激酶1)和PRKN(Parkin RBR E3泛素蛋白連接酶)的表達,導致線粒體自噬的增加。抑制GLS活性和谷氨酰胺戒斷可降低細胞BNIP3的表達[4]。在常氧條件下,氨暴露促進缺氧誘導因子HIF1A的穩定,并提高靶基因(包括Bnip3)的轉錄[5]。谷氨酸可以促進PRKN易位到線粒體上進行泛素化標記;過量的谷氨酸也可以觸發Ca2+進入線粒體,Ca2+與RHOT1(Ras homolog family member T1)結合,導致線粒體遷移受阻和PRKN募集到線粒體上,從而啟動線粒體自噬[6, 7]。

2.2 γ-氨基丁酸與線粒體自噬

γ-氨基丁酸(GABA)是谷氨酸在谷氨酸脫羧酶(GAD)的催化下合成的一種四碳非蛋白質氨基酸,是大腦中最重要的一種抑制性神經遞質。除了作為神經遞質,γ-氨基丁酸還是神經發生及神經修復中的重要營養因子,參與調節氧化還原電位。γ-氨基丁酸與谷氨酸共同維持神經興奮的平衡,這對避免情緒障礙的發生至關重要。γ-氨基丁酸(GABA)代謝紊亂在多種人類神經系統疾病中均有表現[8, 9]。在抑郁癥發病機制中,其中興奮性神經遞質谷氨酸濃度升高,抑制性神經遞質γ-氨基丁酸濃度降低,可引起興奮的失調。此外,γ-氨基丁酸功能障礙導致興奮/抑制失衡也是誘發阿爾茨海默病(AD)的潛在因素,AD患者大腦中神經遞質失衡,興奮性神經遞質谷氨酸、天冬氨酸濃度降低,抑制性神經遞質甘氨酸濃度降低,GABA濃度升高[10]。β-淀粉樣蛋白(Aβ)及其合成的相關物質可與G蛋白偶聯受體結合而抑制GABA的釋放,還可切割其它底物調控GABA的功能[11]。

內源性GABA水平的升高,可以抑制酵母過氧化物酶體自噬和線粒體自噬,但對其他自噬相關通路沒有抑制作用。這種過氧化物酶體自噬和線粒體自噬的缺陷可以通過補充雷帕霉素來修復,這表明GABA通過mTOR激活依賴的方式抑制過氧化物酶體自噬和線粒體自噬。此外,補充GABA或者對乙醛脫氫酶5A1(aldehyde dehydrogenase 5 family member A1, ALDH5A1)進行基因消融,會導致哺乳動物細胞內形態異常線粒體的積累和有缺陷的線粒體自噬。因此GABA對線粒體自噬的抑制活性,可能與GABA紊亂相關疾病的發病機制有關[12]。

3 精氨酸代謝物與線粒體自噬

3.1 一氧化氮與線粒體自噬

一氧化氮(NO)是由一氧化氮合酶(NOS)催化精氨酸形成的一種親脂性、高擴散性和短壽命的代謝物。NO可作為一種信號分子,在正常生理和疾病發生中都發揮著多種調控作用。比如,NO調控靶底物的S-亞硝基化,并參與翻譯后的調控和信號轉導[13]。過量的NO被轉化為有毒的活性氮,與電子傳遞鏈組分結合,會導致線粒體功能的破壞[14]。NO可以啟動PINK1-PRKN介導的線粒體自噬,即使在PINK1耗盡的細胞中,NO供體的暴露也會觸發PRKN易位到線粒體上。原因可能是PRKN在Cys323位點上的S-亞硝基化增強了E3泛素連接酶的活性,促進了線粒體自噬[15, 16]。這種NO誘導的線粒體自噬可以促進PINK1缺失的多巴胺能神經元細胞從線粒體損傷中恢復。然而,其他研究報道PINK1或PRKN的S-亞硝基化,導致PRKN向線粒體的易位顯著減少[17, 18]。研究表明,NO可能通過不同的機制干擾自噬小體的形成[19]。NO調控線粒體自噬似乎更為復雜,需要對其調控機制進一步深入研究。

3.2 亞精胺與線粒體自噬

亞精胺是另一種由精氨酸衍生的多胺代謝物。對于哺乳動物,可以通過膳食補充、腸道微生物合成以及以精氨酸為前體的自主合成來獲取亞精胺。研究已經發現,亞精胺是一種自噬依賴的抗衰老分子[20-22]。亞精胺可刺激小鼠心肌細胞的線粒體自噬,維持線粒體功能,延緩心臟衰老[23, 24]。因此,亞精胺具有高度的心臟保護作用。暴露于亞精胺,肌肉干細胞也會重新建立線粒體自噬功能,并導致肌肉干細胞衰老的逆轉[25]。

3.2.1 ATM調控亞精胺誘導的線粒體自噬。毛細血管擴張性共濟失調(ataxia telangiectasia mutated, ATM)蛋白通過啟動線粒體自噬,在線粒體功能障礙的反應中發揮關鍵作用。有研究表明,亞精胺通過誘導線粒體去極化來誘導線粒體自噬,從而引發線粒體自噬體和線粒體溶酶體的形成,從而促進PINK1在線粒體上的積累和PARKIN由胞質向受損線粒體的易位,最終導致細胞線粒體質量的降低,即發生線粒體自噬[26]。然而在ATM蛋白激酶抑制劑KU55933預處理的細胞中,PINK1的積累和PARKIN的易位受到抑制,PARKIN與自噬標志蛋白LC3或PINK1的共定位也受到顯著影響。ATM蛋白激活了亞精胺誘導的線粒體自噬的級聯反應,在線粒體自噬過程中發揮重要的調控作用,通過調節PINK1的積累和PARKIN的易位來控制線粒體自噬的正常進行。亞精胺誘導的線粒體自噬與ATM蛋白激酶依賴的PINK1-PRKN通路的激活有關[26]。在大多數哺乳動物細胞中,線粒體對選擇性自噬識別的啟動主要是由PTEN誘導的PINK1/PARKIN信號通路介導的。作為一種絲氨酸/蘇氨酸激酶,PINK1選擇性地穩定在有缺陷線粒體的外膜上,來誘導線粒體自噬。積累的PINK1將胞質中E3泛素連接酶PARKIN引入線粒體,隨后PARKIN泛素化線粒體表面的某些蛋白質,最終導致有缺陷線粒體的分離和降解[26]。然而PINK1/PARKIN信號級聯是如何啟動的還有待進一步研究。

3.2.2 亞精胺通過mTOR信號通路誘導線粒體自噬。亞精胺還能提高自噬和線粒體自噬相關成分,包括BECN1、MAP1LC3、PINK1、PRKN、ULK1和ATG蛋白,并促進AMPK(腺苷酸活化蛋白激酶)的激活和mTOR的抑制[27]。AMPK/mTOR信號通路在激活自噬中發揮至關重要的作用。有關大鼠的研究表明,亞精胺可顯著增加AMPK的磷酸化,降低mTOR的磷酸化,自噬體數量增加,從而促進線粒體自噬;而用AMPK抑制劑處理后,p-AMPK和p-mTOR的表達水平則與上述研究結果相反,表明線粒體自噬被抑制[28]。因此,亞精胺可通過AMPK/mTOR信號通路增強自噬通量。mTOR是線粒體自噬的關鍵調控因子,可磷酸化ATG13和ULK(Unc-51-like kinase),且對ULK活性具有抑制作用,阻止線粒體自噬體的形成。由此可見,亞精胺可抑制mTOR磷酸化,并激活AMPK的磷酸化,AMPK在功能水平上抑制mTOR,可以進一步促進亞精胺誘導的線粒體自噬。然而,這些研究主要以外源性亞精胺作為模型,而內源性亞精胺在線粒體自噬中的確切功能和機制尚不清楚。

4 色氨酸代謝物與線粒體自噬

4.1 褪黑素與線粒體自噬

N-乙?；?5-甲氧基色胺(褪黑素)是一種色氨酸來源的僅在松果體中合成的多效內源性激素,主要參與日常和季節節律的最佳協調。褪黑素具有顯著的線粒體保護特性,可以改善線粒體的完整性,并對多種心血管和神經退行性疾病具有預防作用。褪黑素能清除活性氧ROS毒性,抑制ROS介導的胎盤滋養細胞EIF2AK4/GCN2(真核翻譯起始因子2α激酶4)-ATF4(轉錄激活因子4)-BNIP3依賴的線粒體自噬,緩解鎘誘導的胎兒生長受限[29]。此外,褪黑素通過PPARG(過氧化物酶體增殖物激活受體γ)-FUNDC1(線粒體自噬受體)拮抗血小板的線粒體自噬,從而抑制線粒體能量的產生,抑制血小板過度活躍,減輕心肌缺血-再灌注損傷[30]。然而,PPARG信號通路如何調控FUNDC1依賴的線粒體自噬尚不清楚。褪黑素還通過抑制線粒體膜復合物(VDAC1-HK2-mPTP)拮抗心臟微血管中的線粒體自噬。褪黑素激活AMPK,促進DNM1L(dynamin 1 like)在Ser37位點的磷酸化,但在Ser616位點去磷酸化,鈍化DNM1L依賴的線粒體分裂。線粒體結構的維持可恢復VDAC1-HK2的相互作用,阻止mPTP開放和PINK1-PRKN激活,最終阻斷線粒體自噬,減輕缺血-再灌注誘導的心臟損傷[31]。褪黑素激活阿爾茨海默病小鼠模型的ALDH2(乙醛脫氫酶2)-CGAS(環GMP-AMP合酶)-STING1(干擾素反應刺激因子cGAMP相互作用因子1)-TBK1(TANK結合激酶1)信號轉導軸,并恢復心肌細胞的線粒體自噬[32]。在非酒精性脂肪肝發病過程中,褪黑素可抑制NR4A1(nuclear receptor subfamily 4 group A member 1)的表達,從而阻斷DNA激活的蛋白激酶催化亞基PRKDC和TP53的活化,導致BNIP3上調,線粒體自噬重建,改善肝細胞線粒體功能[33]。因此,褪黑素對線粒體自噬的影響是復雜的,且與環境有關。

4.2 犬尿氨酸與線粒體自噬

除了參與褪黑激素的生物合成之外,色氨酸還可以參與犬尿氨酸途徑,犬尿氨酸途徑是關于NAD+從頭合成的唯一代謝途徑。犬尿氨酸通路的紊亂是許多衰老疾病的潛在致病因素。隨著衰老和線粒體功能障礙,參與這一途徑的酶逐漸失活。犬尿氨酸代謝的終點產物犬尿烯酸和NAD+以及代謝分支中的幾種中間代謝產物,是這些疾病的潛在干預靶點[34,35]。NAD+作為一種有效的線粒體自噬誘導因子,通過犬尿氨酸途徑的從頭合成對于維持線粒體完整性至關重要。通過補充色氨酸或增加代謝通量進而增加NAD+的產生,可增強秀麗隱桿線蟲的線粒體功能,壽命延長和病理延遲[36],而犬尿氨酸途徑相關的關鍵酶的功能喪失則會導致先天性器官畸形[37]。此外,犬尿氨酸途徑也可以獨立于代謝產物調節線粒體的完整性。KMO(犬尿氨酸3-單加氧酶)是犬尿氨酸途徑中的限速酶之一,定位于線粒體外膜[38]。全基因組RNAi篩選發現KMO是線粒體形態學和PRKN依賴的線粒體自噬的調節因子。在cn/KMO缺陷果蠅中,線粒體質量增加但呼吸能力下降,支持了KMO可能調節線粒體自噬的觀點。果蠅的研究表明,cn/KMO與pink1、park和Drp1/DNM1L在基因上相互作用,且不依賴于犬尿氨酸的代謝[39]。然而,其潛在的機制尚不清楚。

5 含硫氨基酸與線粒體自噬

5.1 半胱氨酸與線粒體自噬

半胱氨酸和甲硫氨酸是主要的含硫氨基酸,主要通過清除自由基和活性氧來維持細胞的氧化還原穩態[40]。因此,半胱氨酸和甲硫氨酸都能影響線粒體自噬活性并不意外。硫化氫(H2S)是一種重要的氣體遞質,在調節心血管功能中起著重要作用,它是由半胱氨酸經胱硫醚γ-裂解酶(CSE)和胱硫醚β-合成酶(CBS)轉化而成的[41]。CSE可以利用半胱氨酸或同型半胱氨酸在其輔助因子5-磷酸吡哆醛(PLP)的存在下產生H2S。CBS不單單從半胱氨酸中產生H2S,也可以通過半胱氨酸和同型半胱氨酸結合產生H2S。H2S水平在細胞中受到嚴格控制,因為氣體信號分子的過?；蛉狈Χ际怯泻Φ?。線粒體在H2S分解代謝中起核心作用,參與調節H2S的穩態水平。低濃度的H2S對機體健康有益,但高濃度的H2S具有毒性,特別是通過干擾某些線粒體蛋白的氧化磷酸化或巰基化而對線粒體產生毒性[42]。已有研究表明,H2S可以通過調控線粒體自噬來保護心臟。H2S與蛋白質反應,將蛋白質上氨基酸的巰基(-SH)修飾為SSH,進而激活蛋白質發揮生物功能[43]。

外源性H2S可以抑制腦缺血損傷造成的氧化應激,改善神經元線粒體功能從而起到保護神經元的作用。有研究認為,當線粒體自噬在某些疾病的發病機制中發揮正面作用時,外源性H2S處理可上調線粒體自噬;當自噬發揮負面作用時,外源性H2S則通過下調線粒體自噬發揮保護作用。外源性H2S促進PRKN募集到線粒體上并增強PINK1-PRKN介導的線粒體自噬[44]。H2S介導的PRKN和線粒體自噬相關的去泛素化酶USP8的巰基化增強了相應的酶活性,促進了PINK1-PRKN介導的線粒體自噬[45,46]。外源性H2S可保護缺血再灌注導致的神經元線粒體功能損傷,降低神經元的線粒體自噬程度,從而對神經元進行保護,Akt/mTOR通路在其中起調控作用。在同型半胱氨酸存在的條件下,CBS、CSE和3MST(3-巰基丙酮酸硫基轉移酶)的三重基因治療的體外腎動脈培養會產生更多的H2S。

5.2 甲硫氨酸與線粒體自噬

除了半胱氨酸,甲硫氨酸是另一種含硫氨基酸。蛋白質中的甲硫氨酸殘基易被氧化,因此甲硫氨酸構成了抗氧化防御機制的一種重要成份,并對細胞氧化還原穩態有重要貢獻[48]。限制含甲硫氨酸的飲食可以顯著延長酵母、果蠅、小鼠等各種模式生物的健康壽命。線粒體自噬是延長壽命所必需的[49]。實驗發現,在甲硫氨酸限制期間,PRKN和磷酸化泛素顯著增加,表明PINK1-PRKN參與了這種線粒體自噬[50]。來自甲硫氨酸代謝的S-腺苷甲硫氨酸是重要的甲基供體,它能促進PPP2/PP2A(蛋白磷酸酶2)催化亞基的甲基化,導致自噬和選擇性線粒體自噬的不足[51]。S-腺苷甲硫氨酸也可以作為信號分子,通過mTOR信號通路抑制線粒體自噬。已有研究表明,線粒體自噬受營養敏感的靶標TORC1的調控。然而營養成分調控TORC1通路的具體機制還不是很不清楚。

5.3 谷胱甘肽與線粒體自噬

谷胱甘肽(GSH),γ-L-谷氨酰-L-半胱氨酰-甘氨酸三肽,是細胞內氧化還原穩態的關鍵決定因子,由谷氨酸半胱氨酸連接酶(GCL)連接半胱氨酸和谷氨酸生成γ-谷氨酰半胱氨酸,然后由谷胱甘肽合成酶(GSS)催化γ-谷氨酰半胱氨酸和甘氨酸生成GSH。線粒體谷胱甘肽在許多過程中發揮重要作用,包括鐵硫簇的生物合成、過氧化氫解毒以及神經疾病的發生[52]。GSH通過GSH依賴的過氧化物酶參與氧化應激反應并被轉化為氧化型GSH(GSSG)。雖然GSH在線粒體中不是從頭合成的,但有證據表明多種線粒體相關的GSH載體蛋白可以介導細胞內GSH的線粒體轉運,并決定線粒體內的氧化還原穩態[53]。在酵母中,化學或基因操作誘導的內源性GSH減少啟動選擇性線粒體自噬,但不啟動一般性自噬,這種線粒體自噬可以通過補充細胞通透性的GSH或抗氧化劑N-乙酰-L-半胱氨酸來抑制,以使細胞GSH豐度正?；痆54]。另外,GSH抑制ATG32(一種線粒體錨定蛋白,對線粒體自噬至關重要)的表達,會導致線粒體自噬缺陷[55]。酵母的線粒體自噬與磷脂生物合成途徑有關,磷脂酰乙醇胺通過兩個甲基轉移酶(Cho2和Opi3)轉化為磷脂酰膽堿。在線粒體自噬誘導條件下,缺乏甲基轉移酶Opi3的細胞表現出Cho2抑制的延遲,導致谷胱甘肽水平異常增加和ATG32的抑制[55]。然而,GSH是否能調節哺乳動物細胞中的線粒體自噬,目前尚不清楚。

6 結語

氨基酸作為生物生命活動的重要營養物質之一,在提高機體的免疫力、增強機體的抗應激能力以及維持碳平衡、氮平衡等方面發揮著至關重要的作用。營養缺乏,尤其是氨基酸缺乏,會誘導細胞發生線粒體自噬,在短時間內使細胞在特殊生理狀態下維持合成代謝與分解代謝的平衡。氨基酸相關代謝物作為線粒體自噬的調節物,在線粒體自噬中的作用和機制是不相同的(見表1),也是非常復雜的。不同氨基酸代謝物對不同細胞線粒體自噬的調控機制存在差異,目前大多數氨基酸代謝物調控線粒體自噬的深層次機制尚不清楚。

表1 氨基酸相關代謝物對線粒體自噬的調控

線粒體是一種高度動態的細胞器,具有不斷的融合、分裂、遷移、生物發生和去除的特性。這些線粒體行為相互協調,以維持正常的線粒體質量和數量。不同的途徑通過感知不同的線粒體應激來協調線粒體自噬以用于線粒體質量控制,這表明維持適當的線粒體自噬活性來維持細胞內穩態是非常必要的。以往的一些研究,旨在探索內源性代謝物在線粒體自噬中的生理相關性,主要依賴于這些代謝物或代謝前體的外源性管理。在某些情況下,這些外源性補充量可能大大超過了內源性水平。因此,內源性代謝物在線粒體自噬調控中確切的生理作用有待進一步深入研究。研究已經證明,氨基酸代謝物的優化調控可以驅動適當水平的線粒體自噬,為相關疾病的干預提供理想的營養設計。因此利用現代分子生物學方法,研究不同氨基酸代謝物對不同細胞線粒體自噬的調控機制,對進一步揭示氨基酸代謝物對生命體新陳代謝及生長發育的機制具有重要意義。