Nat Cell Biol | 从自噬到转录：核内PI3K-3协调禁食代谢适应

撰文 | 阿童木

禁食会促使机体从营养储存状态转向营养动员状态【1】。肝脏需要迅速启动糖异生、脂肪酸氧化和酮体生成等代谢程序，以维持循环葡萄糖和能量供应。完成这一转变不仅依赖激素和细胞质信号通路，也需要RNA聚合酶II及染色质修饰酶在特定基因上重新组装。然而，细胞如何将营养物质变化直接传递给转录和表观遗传"机器"，仍缺乏清晰解释。

在这些营养响应效应因子中，III类磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K-3）是细胞应对营养缺乏的核心调控因子，由催化亚基Vps34和调节亚基Vps15组成【2】。PI3K-3通过生成磷脂酰肌醇-3-磷酸，调控自噬体形成、内吞和溶酶体运输。传统上，这些功能主要被认为发生在细胞质和细胞膜系统中。不过，已有研究发现Vps15和Vps34也能进入细胞核，并定位于活跃转录区域，但其核内功能及生理意义尚未得到系统解析。

近日，巴黎西岱大学Ganna Panasyuk实验室等在Nature Cell Biology发表了题为Nuclear class 3 PI3K co-activates fasting-specific chromatin remodelling的研究文章。该研究发现，PI3K-3可在染色质上充当转录共激活因子，协同Setd1a/COMPASS、p300/CBP和RNA聚合酶II，促进活跃组蛋白修饰和禁食相关基因表达，从而连接营养感知、表观遗传调控与肝脏代谢适应。

为探究PI3K-3在染色质上的功能，作者在生长中的小鼠胚胎成纤维细胞中对其调节亚基Vps15及转录活跃标志RNAPII-S5p进行了ChIP-seq。结果显示，Vps15与RNAPII-S5p具有高度相似的结合模式，二者在3442个染色质区域共同富集，且多数位于基因启动子附近，涉及自噬、膜运输、细胞信号、代谢和转录调控等过程。进一步的免疫荧光、分裂荧光素酶互补及免疫共沉淀实验证实，核内PI3K-3的Vps15和Vps34亚基与RNAPII直接且特异地互作；该结合依赖于RNAPII的CTD结构域和Vps15的N端。这些结果表明核内PI3K-3并非只是与活跃染色质偶然共定位，而可能直接参与RNAPII转录复合物的组装。

作者随后关注活跃启动子标志H3K4me3。H3K4me3主要由Setd1a/COMPASS等甲基转移酶复合物写入，并参与RNAPII稳定、暂停释放和转录延伸。基因组分析显示，Vps15与Setd1a的染色质结合区域高度重叠。Vps15和Vps34还能够与WDR5、RbBP5、Wdr82及Setd1a等COMPASS组分相互作用。过表达Vps15后，部分基因区域的RNAPII-S5p明显增加，同时H3K4me3在更大范围内增强。相反，Vps15缺失会削弱RNAPII与COMPASS组分之间的互作，并降低部分靶基因启动子上的RNAPII-S5p和H3K4me3。这些结果提示，PI3K-3可能作为支架或共激活因子，促进RNAPII与H3K4甲基转移复合物在染色质上的协同。

作者利用甲硫氨酸缺乏/补充体系模拟H3K4me3的从头沉积，研究PI3K-3与转录复合物的关系。H3K4me3不稳定，其周转依赖于甲硫氨酸衍生的甲基供体SAM；甲硫氨酸缺乏降低细胞甲基化能力并减少全局H3K4me3，补充后可恢复。此外，Setd1a/COMPASS亚基与组蛋白H2B、与RNAPII，以及Vps15与这些复合物之间的相互作用均呈甲硫氨酸敏感性，且这些变化并非源于PI3K-3核内水平的改变；在Vps15缺失细胞中，RNAPII与Setd1a/COMPASS的结合减弱。基因组分析表明，Vps15和RNAPII-S5p以甲硫氨酸敏感方式共同招募至一批基因，涉及自噬、内吞、蛋白运输和转录调控，且Vps15富集与H3K4me3从头沉积相吻合。这些发现表明，PI3K-3在氨基酸缺乏条件下作为Setd1a/COMPASS和RNAPII的共激活因子，参与转录重塑。

转录组分析进一步证实PI3K-3的转录激活作用。在甲硫氨酸缺乏/补充下，Vps15KO细胞的甲硫氨酸响应基因发生失调，涉及转录调控、细胞周期、固醇和脂质代谢通路，且转录诱导存在缺陷。在模拟饥饿的EBSS处理下，Vps15KO细胞对EBSS的转录响应同样失调，尤其自噬相关基因的激活出现缺陷或延迟，同时这些基因启动子处的H3K4me3和RNAPII-S5p减少。这些结果表明，PI3K-3作为转录激活因子，将氨基酸可利用性与H3K4me3和RNAPII-S5p介导的转录联系起来，尤其促进自噬相关基因的表达。

作者进一步在诱导型肝细胞Vps15敲除小鼠中研究禁食反应。经过24小时禁食，正常小鼠肝脏共有6571个基因发生差异表达，并在特定区域增加RNAPII-S5p和H3K4me3。相比之下，Vps15缺失小鼠中只有约10%的正常禁食响应基因仍发生变化，提示肝脏的转录适应受到广泛抑制。受影响的基因涉及糖异生、脂肪酸氧化、酮体生成，以及甲硫氨酸循环和氨基酸代谢。代谢组分析也显示，Vps15缺失肝脏存在脂肪酸代谢、氧化还原和氨基酸代谢异常，并伴随酮体3-羟基丁酸下降。值得注意的是，禁食时正常肝脏中SAM虽下降，却仍维持在足以支持甲基转移酶活性的浓度，SAM:SAH比值得以保持；而13C-甲硫氨酸示踪显示，Vps15缺失细胞中核内甲硫氨酸可正常恢复，但核内SAM无法完全回升，说明PI3K-3参与的是核内SAM的利用与合成通量，而非甲硫氨酸转运。可见，染色质结合的PI3K-3既促进禁食诱导的转录重塑，又维持核内SAM动态以支持组蛋白甲基化。

核内Vps15互作组分析进一步鉴定出RNAPII、Setd1a/COMPASS、Mediator和多种染色质调控因子。多数相互作用在进食和禁食状态下均已存在，提示禁食可能不是重新组装一套全新的PI3K-3复合物，而是将预先存在的核内互作网络募集到营养响应基因上。

报告基因实验显示，Vps15和Vps34能够增强p300/CBP对Mat1a和Mat2a启动子的激活作用。将Vps34强制定位于细胞核后，靶基因上的Setd1a/COMPASS、RNAPII-S5p和H3K4me3进一步增加。作者还利用dCas-MINI将Vps15直接定位到指定启动子，发现局部Vps15募集足以提高Mat2a、Mat1a或Alb位点的H3K4me3。借助核定位甲硫氨酸酶实验，作者还证明PI3K-3的脂质激酶活性（可被抑制剂Vps34-IN1阻断）是将甲基供体通量偶联至组蛋白甲基化和转录输出所必需的。不过，H3K4me3增加本身不足以单独启动这些沉默基因的表达，尤其在缺乏组织特异性转录因子的成纤维细胞中；基序分析发现Vps15结合位点富集Sp1、YY1、c-Myc等通用转录因子，且Vps15可进一步共激活这些因子。这表明PI3K-3更可能是协助建立有利染色质环境、并与转录因子协同的共激活因子，而非独立决定转录开关的因素。

综上，该研究提出了PI3K-3功能的新模型：在细胞质中，PI3K-3通过PI3P调控自噬和膜运输；在细胞核中，PI3K-3则与RNAPII、Setd1a/COMPASS、p300/CBP及Mediator协同，将甲硫氨酸和SAM等营养代谢状态转化为染色质修饰和转录变化。通过这种双重功能，PI3K-3协调自噬、脂质分解和酮体生成，帮助肝脏完成由进食向禁食状态的代谢转换。

https://doi.org/10.1038/s41556-026-02030-7

制版人： 十一

参考文献

1. Wang Y, Wu R. The effect of fasting on human metabolism and psychological health.Disease markers, (1): 5653739 (2022).

2. Vanhaesebroeck B, Stephens L, Hawkins P. PI3K signalling: the path to discovery and understanding.Nat.Rev.Mol.CellBiol.13(3): 195-203 (2012).

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

推荐直播

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！