近期，来自美国麻省理工学院的研究人员在Science上发表了题为“Zonated leucine sensing by Sestrin-mTORC1 in the liver controls the response to dietary leucine”的研究，阐明了小鼠中mTORC1通过Sestrins介导的亮氨酸感知信号通路。

亮氨酸是合成蛋白质和代谢物所必需的氨基酸，参与骨骼肌生长、胰岛素分泌等；此外，血浆亮氨酸浓度也与某些代谢综合征相关。亮氨酸的一个关键的生物学功能是作为mTORC1蛋白激酶的靶点；虽然先前的细胞学研究表明亮氨酸结合蛋白Sestrin1和Sestrin2会作为mTORC1信号通路的亮氨酸传感器，但是哺乳动物的Sestrins在体内是否也有亮氨酸感知作用、在哪些组织中发挥作用、以及如何作为亮氨酸传感器发挥作用，目前尚不清楚。

为了研究mTORC1在体内对亮氨酸的感知，研究人员首先给小鼠禁食，然后喂食含有标准食物亮氨酸含量为100、10或0%的食物，以测试小鼠对饮食亮氨酸含量变化的反应。研究结果表明，饲喂这些食物导致小鼠血浆亮氨酸浓度逐步降低，肝脏中mTORC1底物--S6K1和4EBP1--磷酸化水平减弱，表明膳食中的亮氨酸确实会控制体内mTORC1活性。

图1 Sestrins在体内控制mTORC1对亮氨酸的感知

在培养的细胞中，Sestrin1和Sestrin2以亮氨酸敏感的方式与GATOR2相互作用并抑制mTORC1的信号传导。因此，研究人员使用小鼠肝脏对该相互作用进行了验证，结果与培养的细胞中一样，小鼠体内也是通过影响Sestrin1和Sestrin2与GATOR2的相互作用来感应亮氨酸的变化。为了进一步研究Sestrin1和Sestrin2在体内对mTORC1感应的亮氨酸的作用，研究人员构建Sestrin1和Sestrin2的双敲除（DKO）小鼠，在喂食无亮氨酸饮食的野生型（WT）小鼠肝脏中的mTORC1活性较低，但在DKO小鼠中，无论饮食中亮氨酸的含量如何，mTORC1活性均很高；而单独敲除Sestrin1或Sestrin2的小鼠对mTORC1感受亮氨酸变化的敏感性没有明显影响，表明Sestrin1和Sestrin2存在功能性冗余，且与培养的细胞一样，Sestrin1和Sestrin2在体内将亮氨酸的可用性传递到mTORC1通路。

为了进一步研究mTORC1感知亮氨酸的生理学作用，研究人员使用无亮氨酸饮食对WT小鼠和DKO小鼠进行处理，八天后对各项生理学指标进行分析，发现DKO小鼠的体重由于白色脂肪组织（WAT）严重缺失而有更为明显的降低，同时骨骼肌量也更明显的减少。研究人员进一步使用肝脏中缺乏Sestrin1和Sestrin2（LiDKO）的小鼠，表明肝脏Sestrin-mTORC1在机体对亮氨酸剥夺的反应中起关键作用，并且肝脏与WAT的通讯（liver-to-WAT communication）导致了在DKO小鼠中观察到的WAT的减少。

为了进一步找到肝脏中参与亮氨酸感知的因子，研究聚焦到纤维细胞生长因子21（FGF21），因为该因子与对基酸饥饿和WAT重塑的反应有关。研究人员发现，在剥夺亮氨酸后，DKO中的血浆FGF21浓度高于野生型小鼠，且亮氨酸剥夺增加了DKO小鼠肝脏中Fgf21的mRNA的含量，导致肝脏FGF21蛋白含量增加。此外，研究人员还发现，与对照饮食相比，亮氨酸剥夺会增加野生型小鼠肝脏中的自噬通量；而在DKO小鼠中，亮氨酸剥夺并未减轻mTORC1对ULK1磷酸化的抑制，也未诱导自噬通量的增加。

由于不同区域的肝细胞可以具有不同的代谢功能和转录程序，因此研究人员推断肝脏中的Sestrin1和Sestrin2的表达可能也存在着一定的空间特征。通过单分子荧光原位杂交实验，研究人员证实了这一推测：Sestrin1和Sestrin2的mRNA在门静脉的肝细胞和小叶中的肝细胞中分布较多，在中央肝细胞中则较少。使用免疫荧光检测磷酸化S6（mTORC1活性的标志物）的分布，发现在喂食无亮氨酸饮食的野生型小鼠中，mTORC1活性在整个肝小叶中并不均匀，它在表达Sestrin的门静脉周围和小叶中的肝细胞中受到抑制，但在不表达Sestrin的周围肝细胞中有活性。相比之下，在喂食无亮氨酸饮食的DKO小鼠中，mTORC1活性在整个小叶中均匀分布，并且与喂食富含氨基酸食物的小鼠没有区别。

图2 Sestrin1、Sestrin2，以及mTORC1在肝脏中存在着特定的空间分布

总之，研究人员阐明了在体内mTORC1通过Sestrin1和Sestrin2对亮氨酸进行感知，并且Sestrin1、Sestrin2，以及mTORC1在肝脏中存在着特定的空间分布。

参考文献:Cangelosi AL, Puszynska AM, Roberts JM, et al. Zonated leucine sensing by Sestrin-mTORC1 in the liver controls the response to dietary leucine. Science. 2022;377(6601):47-56. 

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撰文：贾魏珉

编辑：刘振兴

审核：张贤钦

课题组网址 http://life.hust.edu.cn/info/1046/13645.htm

课题组介绍-分子医学团队