營養(yǎng)感應、營養(yǎng)應答和營養(yǎng)應激

何 龍，馬 曦

（動物營養(yǎng)學國家重點實驗室，中國農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，北京 100193 ）

除環(huán)境和遺傳因素之外，營養(yǎng)是制約哺乳動物從受精卵、出生到發(fā)育成熟的重要因素。在動物生長發(fā)育和細胞代謝過程中，存在著一系列的營養(yǎng)攝取、消化、吸收、代謝、轉(zhuǎn)運和利用的進程和調(diào)節(jié)，使機體實現(xiàn)內(nèi)部穩(wěn)態(tài)和適應不斷變化的外部環(huán)境。

包括人在內(nèi)的高等動物都是由細胞組成，為了深入揭示生命本質(zhì)和營養(yǎng)的意義，后續(xù)將以細胞作為研究靶標。從生物進化的角度看，隨著外界營養(yǎng)因素的不斷變化，動物機體進化出一套完善的營養(yǎng)感應（Nutrition Sensing）和營養(yǎng)應答（Nutrition Response）反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先讓細胞隨時感知外界營養(yǎng)水平：當營養(yǎng)素充足時，細胞感知并獲取養(yǎng)分來加速自身的生長和代謝；當營養(yǎng)素缺乏時，細胞通過調(diào)節(jié)自身代謝水平，激活自噬來達到養(yǎng)分的循環(huán)利用從而維持其存活；如果一種或多種營養(yǎng)素濃度過高或過低時，由于過高的代謝水平而誘發(fā)營養(yǎng)應激（Nutrition Stress），導致細胞損傷甚至死亡。近年來，細胞自噬的發(fā)現(xiàn)及其反饋調(diào)節(jié)機制的闡明為營養(yǎng)感應和營養(yǎng)應答反饋系統(tǒng)提供了全新模式。細胞自噬作為細胞感應營養(yǎng)水平的關(guān)鍵應答通路，對維持細胞的存活至關(guān)重要。當自噬被異常激活會引起細胞損傷，最終導致細胞死亡。營養(yǎng)應答和營養(yǎng)應激是細胞感知營養(yǎng)水平做出的2種截然不同的反應。營養(yǎng)應答是當細胞感知營養(yǎng)水平變化、激活下游的信號通路并最終達到細胞代謝平衡的過程。而營養(yǎng)應激是細胞由于外界的營養(yǎng)素水平異常引起代謝異常并最終引起細胞應激，此時細胞的代謝穩(wěn)態(tài)被打破，細胞受到損傷。

本綜述首次將營養(yǎng)感應、營養(yǎng)應答和營養(yǎng)應激的概念進行整合，并以自噬機理作為核心進行機理闡述，為開展營養(yǎng)與機體的互作研究提供新的思路和理論依據(jù)。

1 細胞營養(yǎng)感應的核心蛋白復合體

營養(yǎng)感應是細胞感知外界養(yǎng)分并做出反應的起始階段，其中最重要的2個營養(yǎng)感應復合體是AMPK和mTORC1。

AMPK復合體是細胞感知能量水平的關(guān)鍵性激酶，它的激活或抑制可以控制細胞對能量物質(zhì)的代謝。AMPK復合體由α、β和γ亞基組成，而γ亞基可以直接結(jié)合細胞質(zhì)中的AMP、ADP或ATP來控制AMPK的磷酸化水平。當細胞代謝水平不足或者葡萄糖缺乏時，AMP/ATP 或 ADP/ATP上升，從而激活AMPK通路加速分解代謝來增加ATP的合成；相反，當ATP充足時，AMPK受到抑制，細胞的分解代謝減慢[1]。所以，肌肉和肝臟的糖原分解和葡萄糖攝取受AMPK的嚴格調(diào)控以達到細胞能量水平的平衡。

mTORC1是細胞感受氨基酸和生長因子水平的一個關(guān)鍵激酶復合體，控制著蛋白合成、細胞分裂和分化[2]。當氨基酸水平充足時，mTORC1被激活，細胞生長加速。目前，研究發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺、精氨酸和亮氨酸可分別通過ARF1[3]、CASTOR1[4]及SESTRIN[5]直接激活mTORC1，這3種氨基酸水平對mTORC1活性的調(diào)控至關(guān)重要。

2 營養(yǎng)應答與細胞自噬

細胞自噬作為一個獨立的研究領(lǐng)域，于2016年獲得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。為適應多變和復雜的外界環(huán)境，生物體進化出一套通過降解自身物質(zhì)來達到養(yǎng)分暫時供給的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在抵御微生物感染、清除異物方面也起到重要的作用。

自噬體和溶酶體是自噬的2個關(guān)鍵細胞器。當外界營養(yǎng)缺乏時，自噬被激活，參與自噬體組裝的蛋白被招募到自噬前體膜上，隨著膜的延伸和彎曲，特異或非特異地將內(nèi)容物包裹并形成閉合的雙層膜結(jié)構(gòu)。自噬體形成后，便會和溶酶體融合形成自噬溶酶體；溶酶體中的酸性水解酶可以降解自噬體包裹的內(nèi)容物，并進行回收利用[6]。在自噬的起始階段，ULK1和VPS34作為兩大關(guān)鍵的激酶復合體參與招募自噬相關(guān)蛋白ATGs和脂類的合成，從而實現(xiàn)膜的延伸。ULK1復合體由ULK1、ATG13、FIP200組 成。VPS34則 由 VPS34、P150、ATG14、Beclin1或UVRAG組成[7]。自噬體和溶酶體的融合過程稱為自噬體的成熟，該過程需要SNARE蛋白的參與，介導自噬體膜和溶酶體膜的接觸和融合，對于自噬體內(nèi)容物的降解至關(guān)重要。

自噬的水平受外界營養(yǎng)素水平的調(diào)控。AMPK和mTORC1作為細胞內(nèi)營養(yǎng)的中樞感受器，可以直接調(diào)節(jié)自噬的水平，從而達到調(diào)控細胞代謝的目的。

當細胞的能量水平不足時，AMPK感知能量水平不足而被激活，而AMPK可以直接作用ULK1和VPS34復合體來誘導自噬。同時，AMPK的激活可以抑制mTORC1的活性，從而通過TSC1/TSC2來誘導自噬[8]。研究表明，AMPK的激活可以直接磷酸化VPS34 和BECLIN1，加速自噬的起始和膜的延伸[9]。

當總氨基酸缺乏，特別是谷氨酰胺、精氨酸和亮氨酸缺乏時，mTORC1不能被招募到溶酶體膜上，其活性被抑制。有研究表明，mTORC1的激活依賴于其定位到溶酶體膜上[10]。mTORC1通過CASTOR、RagGTPase等蛋白最終招募到溶酶體膜，溶酶體膜上的Rheb活化mTORC1，從而激活mTORC1[11]，此轉(zhuǎn)位過程依賴于谷氨酰胺、精氨酸和亮氨酸。

3 營養(yǎng)應激與自噬性死亡

營養(yǎng)應激是由于外界特殊的營養(yǎng)環(huán)境、細胞內(nèi)代謝的失衡甚至紊亂引起的應激。自噬作為細胞感應營養(yǎng)物質(zhì)的下游通路，可以通過循環(huán)利用營養(yǎng)素來維持胞內(nèi)代謝的相對平衡。但是當細胞的養(yǎng)分過多或者過少造成應激導致自噬過度激活時，會造成細胞器損傷甚至細胞自噬性死亡。

研究發(fā)現(xiàn)，在饑餓狀態(tài)下，細胞會出現(xiàn)區(qū)別于壞死和凋亡的第3種細胞死亡類型，這種死亡的細胞中含有大量的自噬體、溶酶體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)碎片。當人為激活自噬時，這種細胞死亡也會發(fā)生，且通過抑制細胞自噬可以緩解細胞死亡。當動物體或者細胞處于饑餓狀態(tài)時間過長，自噬處于持續(xù)激活，自噬性死亡就會發(fā)生。在臨床上，也發(fā)現(xiàn)了脂肪肝病人中的自噬性肝細胞死亡。通過高通量測序發(fā)現(xiàn)，Na+-K+-ATPase是造成自噬性壞死的關(guān)鍵蛋白，而抑制該蛋白的活性能緩解自噬性壞死[11]。

4 對未來基礎(chǔ)研究和生產(chǎn)應用的意義

以豬的營養(yǎng)研究為例，如何更加均衡、有效地為哺乳和斷奶階段仔豬供給營養(yǎng)是養(yǎng)殖領(lǐng)域的一個尚未解決的問題。初生仔豬生長發(fā)育快，營養(yǎng)素需求量更大。同時，該階段仔豬很容易出現(xiàn)營養(yǎng)應激，且易出現(xiàn)較高的死亡率。仔豬在出生和斷奶時，營養(yǎng)應激會誘導自噬。研究自噬的發(fā)生和應激以及仔豬死亡的關(guān)系有利于闡明仔豬死亡的生理學基礎(chǔ)，從而為靶向性地開發(fā)功能性營養(yǎng)活性物質(zhì)和營養(yǎng)干預措施奠定理論基礎(chǔ)。

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