德岛文利大学，香川药学院，日本，Sanuki
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德岛文利大学，香川药学院，日本，Sanuki
DOI: 10.15761 / IFNM.1000119
巨噬(以下简称自噬)是一种高度保守的细胞过程，它将蛋白质和细胞器传递给溶酶体，并控制这些底物的降解，以促进体内平衡。此外，调整营养的可利用性也是一个重要的过程。氨基酸激活哺乳动物雷帕霉素复合物1靶点(mTORC1)，这是自噬信号通路的关键调控因子。氨基酸缺失负调控mTORC1并诱导自噬。最近的研究表明，氨基酸通过影响H型液泡将mTORC1招募到溶酶体中+-ATPase (v-ATPase)和Rag鸟苷三磷酸酶A/B (RagA/B)，从而导致溶酶体上mTORC1的激活和自噬的抑制。在这里，我们综述了氨基酸及其代谢物对自噬信号的最新研究进展。
自噬，氨基酸，mTOR, v- atp酶，RagA, sestrin
从酵母到哺乳动物，自噬是一种高度保守的分解代谢过程[1,2]。自噬在细胞内缺陷蛋白和细胞器的清除、分化和发育等基本生物学功能中发挥着重要作用[3-5]。自噬功能障碍与严重疾病相关，如心脏病、神经退行性疾病和癌症[4,6,7]。有三种不同类型的自噬:巨噬、微噬和伴侣介导的自噬。宏观自噬(以下简称自噬)包括整体降解和一个多步骤的过程，在这个过程中，细胞质和/或细胞器的部分被隔离在一个称为自噬小体的双层膜结构中。然后自噬体与溶酶体融合进行降解。自噬体-溶酶体结构称为自溶酶体[5]。多年来，人们已经知道自噬是由饥饿激活的，包括氨基酸消耗，它控制游离氨基酸[8]的浓度。虽然氨基酸控制自噬的具体机制尚未完全阐明，但已有研究表明，哺乳动物雷帕霉素复合物1 (rapamycin complex 1, mTORC1)的靶点(或机制)是氨基酸自噬的关键调控因子[9-12]。本文就氨基酸及其代谢产物对自噬的调控以及氨基酸对mTORC1调控的研究进展作一综述。
自噬过程包括起始阶段，在此期间形成隔离膜(吞噬体)，延伸和闭合阶段，在此期间形成一个完整的自噬体，和成熟阶段，在此期间自噬体和溶酶体[5]融合形成自噬体。据报道，氨基酸消耗可诱导自噬。然而，最近的研究表明，各种刺激，包括应激、细胞器损伤、缺氧和活性氧诱导自噬[13]。在自噬中，关键的调控因子是mTORC1，它控制自噬[14]的起始阶段。mTORC1 mTOR组成,这是一种丝氨酸/苏氨酸激酶和主要活性成分,哺乳动物致命SEC13蛋白8 (mLST8也称为GbL () [15], DEP domain-containing mTOR-interacting蛋白质(DEPTOR)[16],脯氨酸Akt 40 kDa的衬底(PRAS40) [17], regulatory-associated mTOR的蛋白质(猛禽)(18、19),和Tti1-Tel2[20]。mTORC1通过抑制Unc-51-like kinase (ULK)1/2 complex来负调控自噬，Unc-51-like kinase (ULK)1/2 complex是自噬的初始调控因子。ULK1/2复合物包括ULK1/2、ATG13[21]和focal adhesion kinase family interaction protein of 200kd (FIP200)[22]。当细胞处于营养丰富的条件下，mTOR被激活并抑制ULK1/2的激酶活性。另一方面，当细胞处于氨基酸耗尽状态时，mTOR被灭活，ULK1/2被激活。 Activated ULK1/2 autophosphorylates and then phosphorylates ATG13 and FIP200, and then produces the phagophore to initiate autophagy. In yeast, ATG8 plays an important role in the elongation and closure stage, during which an autophagosome is formed. The ATG12–ATG5–ATG16 complex conjugates phosphatidylethanolamine (PE) with ATG8 to produce ATG8-PE. ATG8-PE mediates membrane fusion and elongates the phagophore to complete autophagosome formation. In addition, ATG8 brings substrates, such as aggregated proteins or damaged organelles, into an autophagosome [1]. Mammalian orthologs of yeast ATG8 have been identified, which are divided into the microtubule-associated protein 1 light chain 3 (LC3) subfamily and the g-aminobutyric-acid-type-A receptor-associated protein (GABARAP) subfamily. The LC3 subfamily contains LC3 alpha (LC3A), LC3 beta (LC3B), and LC3C. The GABARAP subfamily contains GABARAP, GABARAP-like 1 (GABARAPL1), and GABARAP-like 2 (GABARAPL2) [23-27]. LC3B has been studied most extensively in these subfamilies. Similar to yeast ATG8, LC3B is conjugated to PE via the cooperation of the ATG12–ATG5–ATG16 complex to form an autophagosome [26]. The membrane sources of the autophagosome include the endoplasmic reticulum [28,29], mitochondrial membrane [30], plasma membrane [31], Golgi [32], and recycling endosomes [33]. After autophagosome formation is complete, the autophagosome fuses with a lysosome to form an autolysosome. The fusion between an autophagosome and a lysosome is mediated by Rab7 [34,35], homotypic fusion and protein sorting (HOPS) complex [36], UV radiation resistance-associated gene protein (UVRAG) [37], and soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptors (SNAREs) [38-40]. A recent study indicated that the phosphorylation of LC3B by serine/threonine kinase (STK) 3 and STK4 is also necessary for the fusion of an autophagosome and a lysosome [41]. On the other hand, mTORC1 phosphorylates UVRAG to inhibit the fusion of an autophagosome with a lysosome [42], indicating that mTORC1 negatively regulates the autophagy process not only at the initiation stage but also during the maturation stage. Finally, the enzymes in the lysosomes or autolysosomes degrade the substrates brought by the autophagosomes.
氨基酸是通过溶质载体(SLC)超家族蛋白从体外运输到细胞内的，SLC超家族蛋白是一种跨膜氨基酸转运蛋白[43]。有报道称，氨基酸(特别是亮氨酸、谷氨酰胺或精氨酸)可以激活mTORC1，从而阻断自噬途径[9-12]。然而，mTORC1信号是受一种特定氨基酸的影响，还是受氨基酸组合的影响，目前还不清楚。有些氨基酸转运体是反转运体，需要额外的氨基酸来转运。例如，谷氨酰胺通过SLC1A5导入细胞，再通过双向氨基酸转运体SLC7A5输出，将细胞外必需氨基酸转运到细胞内[11,44]。这说明细胞外氨基酸信号与细胞内氨基酸信号并不相同。因此，从细胞外接收到的氨基酸信号很难分离。此外，氨基酸代谢物调节mTORC1信号通路。NO合酶由精氨酸产生一氧化氮(NO)和瓜氨酸。NO通过JNK1和IKKb的s -亚硝基化作用抑制自噬。 JNK1 phosphorylates Bcl-2, which binds and inhibits Beclin 1. Phosphorylated Bcl-2 releases Beclin 1, which then initiates autophagosome formation. In addition, IKKb phosphorylates AMPK, which then phosphorylates tuberous sclerosis 2 (TSC2). Phosphorylated TSC2 is a negative regulator of mTORC1, which induces autophagy [45]. Citrulline stimulates the phosphorylation of 4EBP1 and rpS6, which indicates mTORC1 activities; thus, citrulline is considered to be a candidate regulator of autophagy [46]. The metabolization of glutamine, which is called glutaminolysis, is processed by glutaminase (GLS) and glutamate dehydrogenase (GDH). GLS catalyzes glutamine to generate glutamate and ammonia. GDH catalyzes glutamate to generate a-ketoglutarate (aKG) and ammonia. It has been reported that ammonia induces autophagy, but the induction of autophagy by ammonia is independent of the mTORC1 and ULK1/2 signaling pathway [47-49]. By contrast, aKG activates mTORC1 signaling and blocks autophagy [50,51]. The metabolization of arginine, histidine, or proline also generates KG. Therefore, the balance between aKG and ammonia may be important in the regulation of autophagy. Specific leucine metabolites do not induce mTORC1 signaling [52]; however, leucine activates GDH via allosteric regulation to increase glutaminolysis, which regulates mTORC1 [51]. Thus, amino acids and their metabolites may affect mTORC1 and autophagy via complex signaling pathways.
MTORC1被募集到溶酶体上，并通过GTP加载的RAS同源物激活，富含脑体上的脑（RHEB）。几种蛋白质复合物在通过氨基酸激活MTORC1在激活MTORC1（图1）上起重要作用。表1总结了影响MTORC1和自噬的生物物质。
表1。生物物质对MTORC1和自噬的影响
生物物质 |
mTORC1 |
自噬 |
amini酸 |
激活 |
抑制 |
拉格/ B (GTP-bound) |
激活 |
抑制 |
rgulator. |
激活 |
抑制 |
V-ATPASE. |
激活 |
抑制 |
GATOR1 |
抑制 |
激活 |
GATOR2 |
激活 |
抑制 |
斯特勒斯 |
抑制 |
激活 |
生长因子/胰岛素 |
激活 |
抑制 |
TSC2 (TSC-TBC) |
抑制 |
激活 |
RHEB（GTP绑定） |
激活 |
抑制 |
没有 |
激活 |
抑制 |
JNK1 |
没有影响 |
激活 |
Beclin |
没有影响 |
激活 |
IKKb |
抑制 |
激活 |
氨 |
没有影响 |
激活 |
爱科技 |
激活 |
抑制 |
图1。氨基酸对mTORC1和自噬的调控。氨基酸在溶酶体腔内被v- atp酶感知。v-ATPase和调节剂改变其构象，通过调节剂的鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)活性将RagA/B转化为gtp结合态。gtp结合的活性RagA/B将mTORC1招募到溶酶体上，Rheb激活mTORC1。激活的mTORC1阻断自噬。氨基酸转运到溶酶体管腔的机制尚不清楚。在细胞质中，GATOR1的gtpase激活蛋白(GAP)活性将RagA/B转化为与gdp结合的状态。GATOR2抑制GATOR1的GAP活性，Sestrins抑制GATOR2。Sestrins对GATOR2的抑制作用被氨基酸阻断，氨基酸激活RagA/B。在低氨基酸条件下，RagA/B转化为与gdp结合的状态，不能与mTORC1结合。 The inactive mTORC1 is unable to inhibit ULK1/2, thereby leading to the induction of autophagy.
mTORC1在富含氨基酸的条件下被招募到溶酶体表面。在溶酶体上发现的Rag guanosine triphosphatase (GTPase)异源二聚体是mTORC1通过氨基酸转移到溶酶体膜上的关键分子。在哺乳动物中发现了四种Rag GTPase，即RagA、RagB、RagC和RagD[53,54]。与其他小的GTPases不同，Rag GTPases没有脂锚，它们形成一种由RagA或RagB与RagC或RagD组成的异源二聚体。Rags中的GTP或GDP状态是由氨基酸调节的。在氨基酸缺失的条件下，RagA/B与GDP结合，RagC/D与GTP结合，而在氨基酸丰富的条件下，RagA/B与GTP结合，RagC/D与GDP结合，后者是Rag异源二聚体的活性状态。活性Rag异源二聚体与mTORC1中的Raptor结合，从而导致mTROC1定位于溶酶体膜[53]。Rag GTPases缺乏脂质锚定;因此，Rag异源二聚体通过与“调节剂”、鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)和溶酶体蛋白复合物结合定位到溶酶体膜上，溶酶体蛋白复合物包括5种蛋白，即p18、p14、MP1、C7orf5和HBXIP[55,56]。调节子与溶酶体的结合可能是由p18介导的，p18在其n端[57]上具有肉豆蔻酰化和棕榈酰化位点。 Moreover, Ragulator binds to vacuolar-type H+atp酶(v-ATPase)，是溶酶体上一个atp依赖的质子泵。v-ATPase是一种多蛋白复合物，由V0(膜结合复合物)和V1(胞质复合物)组成，它作为质子泵来酸化溶酶体[58]。在富含氨基酸的条件下，溶酶体内的氨基酸会影响v-ATPase，使调节剂与v-ATPase V1亚基之间的联系减弱，从而导致调节剂状态发生变化。其次，调节剂通过其GEF活性将gtp结合的RagA/B转化为gtp结合的RagA/B。gtp结合的RagA/B将mTORC1招募到溶酶体膜[59]上。RagA/B也受GATOR复合物调控，GATOR复合物包括两个亚复合物:GATOR1和GATOR2。GATOR1是gtpase激活蛋白(GAP)，它将gtp结合的RagA/B转变为gdp结合的RagA/B，抑制RagA/B与mTORC1的结合。GATOR1是一种蛋白复合物，由含DEP结构域的蛋白5 (DEPDC5)、氮渗透酶调节剂样2 (NPRL2)和NPRL3组成。GATOR1受GATOR2负调控，GATOR2由Mios、WD重复含蛋白24 (WDR24)、WDR59、SEC 13同源物1 (Seh1L)和secretory 13 (Sec13)组成。在GATOR2中，Mios是[60]氨基酸激活mTORC1所必需的。 Therefore, GATOR1 is a negative regulator of mTORC1 and a positive regulator of autophagy. On the other hand, GATOR2 is a positive regulator of mTORC1 and a negative regulator of autophagy. Recently, it was demonstrated that Sestrins (Sestrin1/2/3) interact with GATOR2 and are necessary for the complete inhibition of mTORC1 activity in amino acid-depleted conditions [61,62]. These results indicate that GATOR1 becomes active due to the negative effect of Sestrins on GATOR2 in amino acid-depleted conditions and active GATOR1 inhibits the recruitment of mTORC1 to the lysosome, thereby leading to autophagy. Although Sestrins regulate mTORC1, additional research is needed to clarify the amino acid sensing pathway upstream of Sestrins.
mTORC1被溶酶体膜上负载gtp的Rheb激活[63]。Rheb是一种小的GTPase和膜结合蛋白，负载gtp的Rheb是活性形式。Rheb受TSC-TBC复合物负调控，该复合物包括TSC1、TSC2和Tre2-Bub2-Cdc16 1域家族成员7 (TBC1D7)。TSC2对大黄有GAP活性，并通过改变GTP为GDP抑制大黄。PI3K-Akt通路与生长因子或胰岛素相关，磷酸化并抑制TSC-TBC复合物，从而导致gtp负载的Rheb激活mTORC1[64]。
氨基酸激活RAGA / B并募集MTORC1至溶酶体。通过在溶酶体膜表面上与GTP加载的RHEB相互作用来激活募集的MTORC1。因此，氨基酸和涉及生长因子的PI3K-AKT途径被认为是激活MTORC1的必要条件，这抑制了自噬途径。
最近对MTORC1的研究表明，MTORC1是与氨基酸在自噬途径调节中的感测和信号相关的关键因素。这些包括发现MTORC1调节剂，例如抹布复合物，抽搐，鳄鱼络合物和斯特勒斯。
然而，调节斯特林斯的上游信号转导通路和氨基酸调节与V-ATP酶的调节相关的详细机制仍不清楚。新技术发展可能有助于了解氨基酸的感测和信号传导中涉及的详细机制，以控制MTORC1和自噬。
音)山口
埃默里大学医学院
评论文章
收到：2015年3月20日
录用日期:2015年4月6日
发布日期:2015年4月9日
©2015 Kiriyama Y.这是一个在创意公约归因许可的条款下分发的开放式文章，其允许在任何媒体中不受限制地使用，分发和再现，只要原始作者和来源被记入。
Kiriyama Y, Kino K, Nochi H(2015)自噬与氨基酸及其代谢产物。整合食品营养Metab 2: DOI: 10.15761/IFNM.1000119
德岛文利大学，香川药学院，Shido 1314-1, Sanuki, Kagawa 769-2193, Japan, Tel: +81-87-899-7100;传真:+ 81-87-894-0181。
表1。生物物质对MTORC1和自噬的影响
生物物质 |
mTORC1 |
自噬 |
amini酸 |
激活 |
抑制 |
拉格/ B (GTP-bound) |
激活 |
抑制 |
rgulator. |
激活 |
抑制 |
V-ATPASE. |
激活 |
抑制 |
GATOR1 |
抑制 |
激活 |
GATOR2 |
激活 |
抑制 |
斯特勒斯 |
抑制 |
激活 |
生长因子/胰岛素 |
激活 |
抑制 |
TSC2 (TSC-TBC) |
抑制 |
激活 |
RHEB（GTP绑定） |
激活 |
抑制 |
没有 |
激活 |
抑制 |
JNK1 |
没有影响 |
激活 |
Beclin |
没有影响 |
激活 |
IKKb |
抑制 |
激活 |
氨 |
没有影响 |
激活 |
爱科技 |
激活 |
抑制 |
图1。氨基酸对mTORC1和自噬的调控。氨基酸在溶酶体腔内被v- atp酶感知。v-ATPase和调节剂改变其构象，通过调节剂的鸟嘌呤核苷酸交换因子(GEF)活性将RagA/B转化为gtp结合态。gtp结合的活性RagA/B将mTORC1招募到溶酶体上，Rheb激活mTORC1。激活的mTORC1阻断自噬。氨基酸转运到溶酶体管腔的机制尚不清楚。在细胞质中，GATOR1的gtpase激活蛋白(GAP)活性将RagA/B转化为与gdp结合的状态。GATOR2抑制GATOR1的GAP活性，Sestrins抑制GATOR2。Sestrins对GATOR2的抑制作用被氨基酸阻断，氨基酸激活RagA/B。在低氨基酸条件下，RagA/B转化为与gdp结合的状态，不能与mTORC1结合。 The inactive mTORC1 is unable to inhibit ULK1/2, thereby leading to the induction of autophagy.
