生命十字路口的抉择：LARS1助力葡萄糖依赖性的亮氨酸代谢模式转换

图1. 氨酰-tRNA合成酶参与tRNA的氨酰化及多肽链和蛋白质合成（改编自Jafarnejad et al. Cell Metabolism, 2017）

鉴于葡萄糖可以调节LARS1感知亮氨酸浓度的能力，所以接下来作者探究葡萄糖是如何影响LARS1功能的。在葡萄糖缺失条件下，通过免疫深沉（IP, immunoprecipitation）下来外源的LARS1，他们发现LARS1发生明显的丝氨酸位点磷酸化，这种磷酸化的发生是由丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶ULK1（Unc-51 like autophagy activating kinase）介导的。同时在葡萄糖缺失条件下，可以观察到LARS1和ULK1有明显的蛋白-蛋白相互作用。进一步机制解析发现LARS1蛋白的第391位点和720位点的丝氨酸可被ULK1磷酸化，因为LARS1蛋白的S720位点在结构上对于ATP的结合以及随后亮氨酸的结合至关重要，所以当S720位点突变以后，LARS1结合ATP和亮氨酸的能力明显降低，同时进一步导致LARS1在溶酶体定位的减少、细胞体积变小、自噬增加。综上，LARS1的S391和S720磷酸化修饰对于LARS1结合ATP和亮氨酸的能力、leucylation（Leu-AMP, Leu-tRNA, Leu incorp）、和mTORC1的功能至关重要。

氨基酸一方面可通过蛋白合成为细胞增殖提供生物大分子，另一方面还可作为碳源为细胞生长提供能量ATP等。因此，为了进一步探究葡萄糖缺失条件下亮氨酸的具体走向及其磷酸化修饰在此过程中的作用。作者选用了高表达亮氨酸分解代谢相关酶（Leucine catabolic enzymes, LCEs）的横纹肌肉瘤细胞（rhabdomyosarcoma cell, RD cell），在细胞缺乏葡萄糖条件下，亮氨酸增加ATP合成的同时还可以减少葡萄糖缺失对细胞造成的毒性，这些现象伴随着亮氨酸分解代谢酶mRNA表达的升高；表明在葡萄糖缺失条件下，亮氨酸通过分解代谢为细胞存活和增殖提供能量。作者进一步利用13C同位素标记的亮氨酸检测亮氨酸代谢流的变化发现：在RD细胞中过表达LARS1的S391和S720丝氨酸位点突变的突变体后，与wild type LARS1相比，13C标记的亮氨酸掺入三羧酸循环（TCA）中柠檬酸（citrate）和苹果酸（malate）的比例明显增加，ATP生成增多。表明LARS1磷酸化通过抑制亮氨酸与LARS1的结合，导致游离的亮氨酸增加，从而进入TCA循环进行分解代谢合成ATP，最终为细胞抵抗葡萄糖缺失造成的营养压力提供强有力的保障和支撑。此外，作者还发现当敲除IARS1（异亮氨酸氨酰-tRNA合成酶）或VARS1（缬氨酸氨酰-tRNA合成酶）时，得到了与敲除LARS1类似的结果，表明BCAA中这三种氨基酸的分解代谢对于保护细胞免受葡萄糖缺失带来的损害同样至关重要。

总之，本文为细胞是如何抵御营养匮乏如葡萄糖缺失带来的损害，并进一步存活和增殖的现象给予了解释并提供了详细的机制探究。即在正常条件下，LARS1通过感知亮氨酸的含量，促进蛋白翻译、合成，以及mTORC1信号通路的激活，发挥合成代谢的功能。但是，在葡萄糖缺失条件下，ULK1通过磷酸化LARS1，抑制了LARS1结合ATP和亮氨酸的能力，导致亮氨酸得以从LARS1复合体上释放出来进行分解代谢，作为碳源为细胞存活提供能量ATP，发挥分解代谢的功能（图2）。这些结果形象的诠释了细胞界所谓“不打无准备之仗，方能立于不败之地”的作战策略，同时也为能量代谢失衡带来的机体生理异常和病理改变提供了潜在的治疗思路和靶点。

图2. 葡萄糖依赖的亮氨酸代谢模式转换

最后，举个简单例子：我们将亮氨酸代谢比喻为每个家庭的公积金（leucine metabolism），正常条件下可将其提取，发挥偿还房贷、房屋翻新的主要功能，满足我们对生活的硬件追求（protein synthesis and building blocks）。但是，当遇到突发事件如大病袭来（glucose starvation），家庭积蓄（ATP）不足以支撑医疗费用之时，我们就可提取公积金，发挥其“机动队员”的角色，行使其次要功能，进行医疗补助（energy production），来保证家庭“个人软件”运转正常。当国家对大病的财政补助到位后（glucose re-stimulation），一切即可恢复原位。在此过程中，leucyl-tRNA synthetase 1，即LARS1，有条不紊的扮演着银行业务员及密码的角色，按照正确的银行流程进行办理（LARS-S391-phosphorylation），同时公积金提取密码无误（LARS-S720-phosphorylation），则加快提取进度达到治病救人的目的；否则会贻误最佳治疗时间，对我们的“软件”和“硬件”造成不可挽回的损失。

博士，华南理工大学副研究员，硕士生导师，中国抗癌协会肿瘤代谢青委会全国委员。主要从事肿瘤生物学研究。