EMBO J | 张华凤/高平/孙林冲合作揭示半胱氨酰tRNA合酶感知半胱氨酸缺失并激活AMPK

兵马未动，粮草先行。大到整个机体，小到身体内每一个细胞，对于能量物质的感应和利用时刻都在进行着精密的调控。因此，细胞如何感知和利用各种营养物质的研究一直是科学家们关注的热点以及难点所在。AMPK是细胞内最重要的能量感知酶之一，可以直接感应细胞内能量货币ATP的变化；近年来，国内外特别是林圣彩课题组的一系列工作揭示了AMPK感应糖代谢中间产物的变化，但是AMPK能否直接感应氨基酸的变化一直以来都鲜为人知。

2021年9月3日，中国科学技术大学张华凤、高平（现华南理工大学）以及孙林冲课题组合作（文章第一作者为中国科学技术大学的袁梦求和严荣辉博士）在EMBO Journal上发表文章CARS senses cysteine deprivation to activate AMPK for cell survival，发现半胱氨酰tRNA合酶（CARS）通过半胱氨酸-CARS-CaMKK2-AMPKγ2轴感知半胱氨酸的缺失并激活AMPK，从而使得细胞在半胱氨酸匮乏时通过激活AMPK来规避细胞死亡，促进细胞存活。这项研究阐明了AMPK在氨基酸感知和细胞存活中的调控作用，并揭示了细胞在营养缺乏条件下生存的新型适应策略。

该课题组首先在细胞培养基中分别去除不同的氨基酸，结果发现半胱氨酸（由培养基中的胱氨酸分解而来）缺失所带来的AMPK激活效应最强。进一步研究表明（半）胱氨酸缺失激活AMPK是由激酶CaMKK2介导的。为了寻找半胱氨酸缺失而激活AMPK的感应器，作者通过IP-MS（免疫沉淀-质谱联用）实验来鉴定半胱氨酸缺失时与CaMKK2结合的蛋白，结果发现CARS（半胱氨酰tRNA合酶，可直接结合半胱氨酸）可以结合CaMKK2。进一步的实验证明，敲低CARS会抑制半胱氨酸缺失诱导的AMPK激活，表明CARS通过结合CaMKK2感知半胱氨酸的缺失并激活AMPK。

接下来，课题组通过分子生物学实验发现，CARS可以与AMPK众多亚基中的AMPKγ2直接结合，而且这种结合在半胱氨酸缺失时显著增强。以上结果表明当半胱氨酸存在时，其阻断了CARS与AMPKγ2的相互作用，使AMPK复合物处于非活性状态；当半胱氨酸缺失时，CARS能够结合AMPKγ2，并作为桥梁分子将AMPK复合物拉到CaMKK2附近从而激活AMPK（图1）。

最后，课题组探讨了半胱氨酸缺失激活AMPK的生物学意义。他们发现当敲低CARS或CaMKK2等关键蛋白时，细胞会在半胱氨酸缺失条件下死亡，但是这种细胞死亡可以通过外源添加AMPK激活剂进行挽救，提示CARS-CaMKK2-AMPK轴通过激活AMPK促进半胱氨酸缺失条件下的细胞存活。

总体而言，该研究发现了CARS感知半胱氨酸缺失并激活AMPK的新通路，为细胞内精巧的代谢物感知方式揭示分子机制的同时，提供了潜在的联合半胱氨酸缺失和AMPK抑制剂靶向肿瘤的思路和干预策略。

原文链接：

https://www.embopress.org/doi/abs/10.15252/embj.2021108028