細胞無時無刻不在對營養物質的可獲得性作出反應並維持物質和能量的平衡，這是生物學的基本問題之一。AMPK和mTORC1是感知細胞內營養物質水平、調節代謝平衡，以及調控細胞生長的兩大中樞激酶複合體。（注：mTOR有兩種複合體，即mTORC1 和mTORC2，本文著重討論在營養感知中起重要作用的mTORC1）。他們分別通過調節一系列下游途徑發揮其功能：AMPK感知營養和能量水平較低的狀態，並在此條件下被激活，抑制合成代謝途徑以減少ATP的消耗，促進分解代謝途徑以增加ATP的產出，並抑制細胞的生長以最終保證能量穩態——可視為“陰”的一面；mTORC1則在營養物質豐裕的情況下被激活，通過促進合成代謝的方式加快細胞的生長，被視為“陽”
（圖1）。正如道學之所言，陰陽之間相濟相剋，AMPK和mTORC1之間也有著複雜而精細的相互制約的調控機制。2020年3月4日，Cell Metabolism雜誌在線發表了由AMPK領域的權威Grahame Hardie教授、廈門大學林聖彩教授和TOR的領域權威Michael Hall教授等合作撰寫的長文綜述：AMPK and TOR: the Yin and Yang of Cellular Nutrient Sensing and Growth Control【1】，對上述幾個方面，特別是經典的和近年來新發現的對這兩大分子如何感知物質、能量水平，以及如何相互調節的成果進行了詳盡的介紹，從而為我們全景式地展現了兩大分子“陰陽相濟”地調節細胞生長的分子機制。
圖1 AMPK和mTOR分別代表了調節代謝穩態的“陰”和“陽”兩面
作者們首先從AMPK的調控入手，系統介紹了AMPK在不同物種中的保守性，並結合結構生物學的證據，詳細闡述了其激活的分子機制。AMPK的α亞基含有激酶活力，其第172位蘇氨酸（T172）的磷酸化修飾是激活的關鍵。這一磷酸化是由上游激酶LKB1所介導的。除了上游激酶，AMPK的另一個重要的調節分子是代表低能量的5’-AMP——這也是AMPK得名的緣由，AMP是兩分子ADP在腺苷酸激酶作用下形成的產物，該反應還產生一分子ATP，因此在能量水平即ATP水平下降時，AMP水平上升。AMP能夠結合AMPK的γ亞基，引起AMPK全酶，特別是α亞基上變構，從而促進T172位點的暴露使之更容易被LKB1所磷酸化。同時，AMP還能夠保護T172磷酸化不被磷酸酶所去除，以及直接通過別構激活的方式數倍地提高AMPK的活力。上述的由LKB1和AMP所代表的“低能量”狀態所介導的AMPK的激活過程被稱為“經典（canonical）途徑”（圖2）。除外，AMPK還能被一系列非經典（non-canonical）途徑所激活。例如，另一個上游激酶CaMKK2可以在鈣離子濃度升高時直接磷酸化T172；β亞基可以結合如水楊酸這樣的天然產物或者人工合成的激動劑引起AMPK的別構激活。
圖2 AMPK結構和功能
近年來發現的和葡萄糖感知有關的AMPK激活的分子機制則大大拓展了長期被認為是能量感知器的AMPK的“非經典的”生理意義，甚至這一葡萄糖感知被譽為AMPK的始祖功能（ancestral role）。為此作者們進行了重點介紹。葡萄糖是機體內最為“平常的”營養物，作為細胞最基本的物質和能量來源，其重要性不言而喻。然而，葡萄糖水平的下降也是十分常見，例如餐前、激烈運動、正在辟穀的人群中血液中葡萄糖的水平是降低的。因此，感應葡萄糖水平的下降並對機體的代謝加以調節就成為了AMPK功能的重點所在。研究表明，葡萄糖飢餓可以直接被感知並引起AMPK的激活（林聖彩團隊Nature破解葡萄糖感受的新機制），這一過程不僅需要LKB1，還需要構架蛋白AXIN的參與，且該過程發生在溶酶體表面
（圖3）：葡萄糖飢餓能夠通過其代謝產物果糖1,6-二磷酸（FBP）水平的下降，被結合在溶酶體上的v-ATPase上的醛縮酶所感應；一旦該醛縮酶沒有FBP可結合時，醛縮酶便能抑制內質網上TRPV鈣通道，使得低糖信號轉化成低鈣信號，此時TRPV又能同時與鄰近的溶酶體上的V-ATPase結合，使之產生構象變化，並導致了同樣定位在溶酶體上的Ragulator複合體之間發生變構（Cell Metabolism丨林聖彩團隊貫通葡萄糖感知通路——陽離子通道蛋白TRPV介導葡萄糖感知到AMPK激活的作用與機制）。此時，架構蛋白AXIN和與之結合的AMPK上游激酶LKB1一同遷移到溶酶體表面並和v-ATPase-Ragulator複合體相互作用並激活溶酶體膜上的AMPK，這一過程被稱為“AMPK激活的溶酶體途徑”（圖3：關於經典途徑和非經典途徑的詳細描述可參考引文【2】）。有意思的是，溶酶體途徑和經典途徑相互獨立，卻又相互補充：葡萄糖水平下降在引起AMP水平升高之前就能激活AMPK，即可提前被它的感受器感知從而關閉合成代謝，啟動分解代謝，保證生命活動的有序進行；而更加嚴重的營養物質缺乏引起了AMP水平升高時，後者進一步結合AMPK並進一步提高AMPK的活力，引起更廣泛的底物的調控，使機體能夠更充分地應對此時的應激壓力（Cell Res封面丨 林聖彩團隊全景式展示AMPK時空調控圖譜）
【3】。同時必須指出的是，儘管葡萄糖飢餓引發AMPK激活的過程不依賴AMP水平的升高，但γ亞基上的第四個AMP結合位點對細胞內本底水平的AMP的結合仍然該過程所需要的，故而AMP在這個意義上可被理解為一種“輔因子（co-factor）”【3】。
圖3 經典的和非經典的AMPK激活的途徑
【1】限於篇幅，作者們簡要地闡述了AMPK如何通過磷酸化各式底物促進葡萄糖轉運和分解代謝、促進脂肪酸氧化、抑制蛋白質合成、抑制脂肪酸合成、促進線粒體氧化磷酸化作用和促進自噬作用等方式，維持細胞的物質和能量平衡（關於AMPK的底物和功能的詳細介紹，可參考文獻【4】）。而這其中，mTORC1是一個重要的AMPK底物和調控節點。
和AMPK類似，mTORC1也是一個從酵母到哺乳動物都保守存在的複合體，它的功能是通過促進蛋白質的翻譯以及合成、抑制自噬作用、促進脂肪酸和核酸的合成等方式，促進細胞的生長和增殖。因此，mTORC1激活需要在細胞同時滿足生長因子、葡萄糖、氨基酸、氧氣充足和能量水平高的情況下才能被激活，任意一個條件不滿足，mTORC1就會被抑制。並且，mTORC1是一個在溶酶體膜表面被激活的蛋白質激酶複合體，溶酶體膜表面錨定有mTORC1激活所需要的幾個重要分子，包括可被TSC2抑制的RHEB和前述的v-ATPase、Ragulator等。關於mTORC1調控的詳細介紹，可參考文獻【5】 。從mTORC1的調控模式上看，分解代謝調控者AMPK一旦被激活，必然就會抑制mTORC1的活性。研究表明，AMPK至少可以通過兩條相互平行的途徑來抑制mTORC1：其一是通過磷酸化TSC2以直接抑制RHEB和mTORC1的活力；其二是通過直接磷酸化mTORC1複合體上的RAPTOR，造成複合體結構上的變化從而抑制該複合體的活力。這種進化上的“雙保險”很可能確保了mTORC1可以在營養物質或者能量水平下降之時被有效地抑制（圖4）。
圖4 mTOR的活力受到嚴格的調控【1】
儘管它們是激活的條件恰好是相反的，AMPK和mTORC1這兩種激酶複合體卻能使用相同的分子v-ATPase和Ragulator，在溶酶體表面被激活，這種機制進一步地提供了對兩種處在“對立面”上的感知器的精確調控。的確，正如林聖彩教授和張宸菘博士在今年Cell Metabolism發表的Preview中列舉的（BioArt注：該篇Preview針對韓國首爾國立大學的Ina Yoon及其合作者們在Science上發文，報道了AMPK還能夠通過激活下游的ULK1再進一步磷酸化LARS1這一亮氨酰-tRNA合成酶以調控mTORC1的新機制，詳見此前BioArt的報道：Science | 葡萄糖依賴的mTORC1信號調控新機制）【6】，葡萄糖飢餓本身可以在激活AMPK的同時通過另一些平行的途徑抑制mTORC1的活力，從而通過多重的機制加以保證mTORC1被精確的調節：AXIN遷移到溶酶體膜上時，在激活AMPK的同時也能夠改變Ragulator-RAG複合體，加速mTORC1從溶酶體上的解離以抑制其活力。新近還發現，AMPK能夠通過激活下游的ULK1分子，再進一步磷酸化LARS1這一亮氨酰-tRNA合成酶，再通過調節RAG而促進mTORC1的解離（Science | 葡萄糖依賴的mTORC1信號調控新機制）
（圖5）。
圖5 葡萄糖飢餓對mTORC1以及翻譯過程的多重調控節點【6】
除此之外，新近的研究還發現，mTORC1也能夠在激活的狀態下抑制AMPK的活力，亦即“陽”對“陰”的調節【7】。不過需要指出的是，這種調節mTORC1是對在營養充足條件下本底活力已經很低的AMPK的進一步抑制，可視為是一種精細的調節。
總之，AMPK和mTORC1分別感應不同的營養物質狀態，調節相反的代謝過程，行使相對應的生物學功能，分別代表了“陰”和“陽”的兩面，而他們之間又存在著千絲萬縷的聯繫。正所謂“致廣大而盡精微，極高明而道中庸”，他們陰陽相濟，交合通達，精密而準確地保證細胞內的代謝穩態，共同維持了細胞乃至機體的健康。更有趣的是，從促進長壽意義上說，AMPK則是“陽”，也應驗了老祖宗的陰中有陽，陽中有陰了吧？
編後記：AMPK和mTORC1作為細胞感知營養物質狀態的兩大核心樞紐蛋白，是近年來代謝基礎研究領域最受重視的研究領域，其中Michael Hall教授因為發現了mTOR已經獲得了2017年度拉斯克基礎醫學獎（拉斯克獎揭曉，mTOR、HPV疫苗和婦嬰保健受關注丨聚焦）。Grahame Hardie教授是AMPK領域最重要的奠基人，坦白的說，在過去幾年裡，AMPK在學術界的重視程度相比於mTOR來說稍遜風騷（其實是更多），知道Hall教授的同行還是會比Hardie教授多不是。作為AMPK領域新時代的領軍人物，林聖彩教授近年來圍繞AMPK和葡萄糖感知領域做出的系列原創性成果顯然為AMPK領域增色不少（相關閱讀：Cell Metabolism丨林聖彩團隊貫通葡萄糖感知通路——陽離子通道蛋白TRPV介導葡萄糖感知到AMPK激活的作用與機制；Cell Res封面丨 林聖彩團隊全景式展示AMPK時空調控圖譜；碳水化合物不是“洪水猛獸”！林聖彩教授Cell Metabolism發表評述文章解讀葡萄糖代謝——專家解讀點評；顛覆性發現：林聖彩組Nature破解葡萄糖感受的新機制），另一個突出方面的是，林教授的部分重要工作把AMPK和mTOR的之間直接調控橋接了起來，也就是本文正文部分提到的“AMPK和mTORC1這兩種激酶複合體卻能使用相同的分子v-ATPase和Ragulator”。本綜述的核心思想不僅僅體現在AMPK和mTORC1的陰陽兩極和你中有我、我中有你上，而且有一些多層次的分級精細調控蘊含在其中，值得細細品味。
另外，筆者這裡不得不再次誇讚一下林教授及其團隊成員。前不久，林教授團隊在Cell Metabolism的這篇Preview是“頗有來頭”的。一般來講，權威雜誌的Preview一般是雜誌編輯部特約，但是這篇Preview確是在Science論文（Science | 葡萄糖依賴的mTORC1信號調控新機制）讀後感（此中細節不便於細說，再說未免又有邀功之嫌了^_^。）的基礎上升華的作品，通過直接投稿，然後編輯部在短時間內迅速接受的結果（前一篇給Cell Metabolism的Preview也是直接投稿接受，詳見此前BioArt的報道：碳水化合物不是“洪水猛獸”！林聖彩教授Cell Metabolism發表評述文章解讀葡萄糖代謝——專家解讀點評）。有一點，希望引起讀者注意，平時讀論文特別是CNS上的論文，遇到觀點衝突時其實可以勇於“亮劍”發出自己的聲音，Preview很多時候也是可以主動投稿的。相比於發表研究型論文，中國學者在權威雜誌上發表獨立觀點嚴重偏少，其實多發表Preview意義也是非常重要的。
稍顯遺憾的是，對mTOR領域也算居功至偉的人物David Sabatini的名字沒有出現在這篇綜述中，希望下次AMPK和mTOR領域的四大巨頭合作完成一篇沒有最好只有更好的大作。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.01.015
參考文獻
1. Gonzalez et al., AMPK and TOR: the Yin and Yang of cellular nutrient sensing and growth control. Cell Metab. March 4, 2020
2. Lin SC, Hardie DG. AMPK: Sensing Glucose as well as Cellular Energy Status. Cell Metab.2018;27(2):299–313.
3. Zong Y, Zhang CS, Li M, et al. Hierarchical activation of compartmentalized pools of AMPK depends on severity of nutrient or energy stress. Cell Res. 2019;29(6):460–473.
4. Herzig S, Shaw RJ. AMPK: guardian of metabolism and mitochondrial homeostasis. Nat Rev Mol Cell Biol. 2018;19(2):121–135.
5. González A, Hall MN. Nutrient sensing and TOR signaling in yeast and mammals. EMBO J.2017;36(4):397–408.
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7. Ling NXY, Kaczmarek A, Hoque A, et al. mTORC1 directly inhibits AMPK to promote cell proliferation under nutrient stress. Nat Metab. 2020;2(1):41–49.
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