Sestrin介导果蝇对低亮氨酸饮食的感知与适应

撰文 | 十一月

mTORC1的靶点在不同营养物质的作用下调节细胞的生长和代谢，这其中就包括必须氨基酸——亮氨酸。最近在培养的哺乳动物细胞中的研究证实，Sestrins作为亮氨酸结合蛋白在亮氨酸缺失期间抑制mTORC1信号转导【1-2】，但Sestrin对膳食中亮氨酸在生物体内的作用机制仍不清楚。

2022年7月20日，美国哈佛大学医学院Norbert Perrimon研究组、怀特黑德研究所Xin Gu（第一作者，前David Sabatini课题组博后）与哈佛大学医学院Patrick Jouandin（第一作者）合作在Nature上发表了文章Sestrin mediates detection of and adaptation to low-leucine diets in Drosophila，发现Sestrin突变体在亮氨酸饥饿情况下不能抑制mTORC1通路，并且食物中缺乏亮氨酸的情况下导致发育受损以及寿命缩短，另外作者们发现果蝇能够区分含有或者不含有亮氨酸的食物并优先选择具有亮氨酸的食物，并通过行为学实验以及全脑成像发现果蝇对于亮氨酸食物偏好性产生的具体机制。

在蛋白质氨基酸中，亮氨酸是目前了解最为清楚的mTORC1激活因子【3】。亮氨酸通过调节mTORC1信号通路复合体与抑制因子Sestrin家族蛋白的相互作用来调控mTORC1。人体内具有Sestrin1和Sestrin2两种亮氨酸结合蛋白，将结合亮氨酸的位点突变后，即使在充满亮氨酸的条件下培养，mTORC1的活性仍然很低。研究表明Sestrin是培养的哺乳动物细胞中mTORC1通路的亮氨酸传感器，但Sestrin介导的亮氨酸传感在完整生物体生理学中的作用还尚不清楚。虽然关于亮氨酸感知的工作大多数是在哺乳动物细胞培养系统中进行的，但是Sestrin和核心营养感知机制中包括的大多数蛋白在大多数无脊椎动物包括果蝇中都是保守的。但与哺乳动物不同的是，果蝇中只有一个亮氨酸结合蛋白Sesn，而这正好简化并促成了mTORC1对于亮氨酸感知的体内研究。

通过平衡结合实验，作者们发现果蝇中Sestrin结合亮氨酸的解离常数高于人类的同源蛋白，该亲和力降低的现象主要是由于亮氨酸口袋结构差异。通过引入亮氨酸结合突变，作者们发现Sestrin在体外结合亮氨酸的亲和力大大下降。另外，作者们通过体内组织的免疫共沉淀实验确认在果蝇体内mTORC1通过Sestrin感应食物中的亮氨酸差异，当将Sestrin突变体敲入果蝇时候，对食物中亮氨酸感应所导致的信号通路蛋白相互作用则会降低。因此，在体内膳食中的亮氨酸调节mTORC1，而这一调节需要Sestrin及其亮氨酸结合口袋以及mTORC1信号通路中关键的复合体蛋白。

随后作者们想知道Sestrin介导的mTORC1抑制是否有助于动物适应低亮氨酸饮食。通过给幼虫喂食缺乏亮氨酸的食物，作者们发现无论什么基因型果蝇幼虫都在开始进食后的2-3天内都会死亡，这说明亮氨酸是幼虫生长所必须的氨基酸。而在喂食含有10%亮氨酸的食物时，约有40%的野生型果蝇幼虫能够存活，但在Sestrin突变体中这一比例下降到10%，而且存活下来的幼虫尺寸也比野生型的幼虫更小。而这一缺陷能够通过过表达Sestrin蛋白而得到挽救。

通过建立行为学实验模型，作者们发现野生型雌性果蝇更倾向于吃具有亮氨酸覆盖的食物，雌性果蝇能够迅速检测出食物中缺乏亮氨酸，而亮氨酸结合突变体中这一偏好性差异则会消失。另外，通过对雌性果蝇产卵行为的研究，作者们发现雌性果蝇更倾向于在涂有亮氨酸食物上产卵，而Sestrin蛋白进行亮氨酸结合位点突变后这一偏好性则会减弱。因此，雌性果蝇识别食物中的亮氨酸需要Sestrin以及其具有亮氨酸结合的能力。

那么果蝇体内的什么组织对于食物中亮氨酸的缺乏与否进行识别的呢？通过利用细胞特异性的Gal4抑制Sestrin，作者们发现胶质细胞种特异性敲降Sestrin能够模拟整体敲降Sestrin时候果蝇对食物中亮氨酸食物偏好降低的表型。通过对单细胞的RNA-seq数据库的分析，作者们发现Sestrin在大多数神经胶质细胞类型中表达。通过在成年果蝇脑内建立报告因子，作者们发现膳食亮氨酸在神经胶质细胞亚群中以依赖Sestrin及其结合亮氨酸能力的方式调节mTORC1信号。

图1 工作模型

总的来说，该工作发现果蝇需要Sestrin来调节mTORC1信号以响应饮食中的亮氨酸、在缺乏亮氨酸的饮食中生存并控制亮氨酸敏感的生理指标，通过敲入亮氨酸结合点突变蛋白消除了Sestrin亮氨酸结合能力，通过对果蝇喂食行为、产卵行为以及对卵巢尺寸等表型影响，建立了亮氨酸感应与结合位点与Sestrin作为生理相关亮氨酸传感器的因果关系。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04960-2

制版人：十一

参考文献

1. Saxton, R. A. et al. Structural basis for leucine sensing by the Sestrin2-mTORC1 pathway.Science351, 53–58 (2016).

2. Wolfson, R. L. et al. Sestrin2 is a leucine sensor for the mTORC1 pathway.Science351, 43–48 (2016)

3. Liu, G. Y. & Sabatini, D. M. mTOR at the nexus of nutrition, growth, ageing and disease.Nat. Rev. Mol. Cell Biol.21, 183–203 (2020).

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