Science：AMPK磷酸化FNIP1诱导溶酶体和线粒体生物发生

原文题目：Induction of lysosomal and mitochondrial biogenesis by AMPK phosphorylation of FNIP1

通讯作者：REUBEN J. SHAW

隶属单位：索尔克生物研究所分子和细胞生物学实验室

DOI：10.1126/science.abj5559

线粒体损伤激活AMPK磷酸化FNIP1，刺激TFEB易位到细胞核，以及溶酶体和线粒体生物发生的顺序波

真核生物含有高度保守的信号通路，当三磷酸腺苷（ATP）水平降低时，该通路会迅速激活，就像在营养缺乏或线粒体功能障碍的情况下发生的那样。一磷酸腺苷（AMP）激活的蛋白激酶（AMPK）在能量应激的几分钟内被激活，并磷酸化有限数量的底物，以生化方式将代谢从合成代谢状态重新连接到分解代谢状态，以恢复代谢稳态。AMPK还通过转录变化促进延长的代谢适应，减少生物合成基因，同时增加促进溶酶体和线粒体生物发生的基因的表达。转录因子EB（TFEB）是AMPK依赖性信号的广为人知的效应子，但AMPK如何控制这些过程的许多分子细节仍然未知。

AMPK及其控制代谢转录适应方面的特定下游靶点的要求在很大程度上仍未确定。研究人员进行了时间课程，检查野生型（WT）或AMPK敲除细胞中各种线粒体应激后的基因表达变化。研究人员假设先前描述的AMPK相互作用蛋白，卵泡素相互作用蛋白1（FNIP1），可能参与AMPK如何促进代谢应激后基因表达的增加。FNIP1与蛋白质卵泡蛋白（FLCN）形成复合物，共同充当RagC的鸟苷三磷酸（GTP）激活蛋白（GAP）。FNIP1-FLCN复合物已成为雷帕霉素复合物1（mTORC1）机制靶标的氨基酸传感器，参与氨基酸如何控制TFEB活化。因此，研究人员研究了AMPK是否可以调节FNIP1以独立于氨基酸主导控制TFEB。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj5559

发现AMPK在各种线粒体应激后控制一组核心基因的表达。这种反应的标志性特征是TFEB的激活和指定溶酶体和线粒体生物发生的基因转录的增加。AMPK直接磷酸化FNIP1中的1个保守丝氨酸残基，抑制FLCN-FNIP1 GAP复合物的功能，导致RagC和mTOR从溶酶体中解离，即使在氨基酸存在下也能促进TFEB的核易位。FNIP1磷酸化是AMPK激活TFEB以及随后增加过氧化物酶体增殖激活的受体γ共激活剂1-α（PGC1α）和雌激素相关受体α（ERRα）mRNA所必需的。尽管存在AMPK的所有其他底物并正常调节，但FNIP1中的五种丝氨酸突变为丙氨酸的细胞在用线粒体毒物或AMPK激活剂治疗后无法增加溶酶体和线粒体基因表达程序。相比之下，氨基酸戒断后激活TFEB不需要AMPK及其对FNIP<>的控制，这说明了对能量有限条件的特异性。

该研究数据将FNIP1确定为长期寻找的AMPK底物，其控制TFEB易位到细胞核，将FNIP1的AMPK磷酸化定义为代谢应激后增加溶酶体和线粒体基因表达程序所需的奇异事件。这项研究还阐明了更大的生物学问题，即线粒体损伤如何触发受损线粒体修复和替换的时间反应：在早期几个小时内，AMPK-FNIP1激活的TFEB诱导一波溶酶体和自噬基因，以促进受损线粒体的降解，几个小时后，TFEB上调的PGC1⍺和ERR⍺促进第二波指定线粒体生物发生的基因的表达。这些见解为与线粒体功能障碍相关的几种常见疾病开辟了治疗途径，从神经变性到2型糖尿病再到癌症。

FNIP1最初被确定为FLCN错构瘤抑制因子的结合伙伴，在同一项研究中发现与内源性AMPK亚基共免疫沉淀，尽管FNIP1介导AMPK功能方面的功能作用在此后的几十年里从未被研究过。随后的研究集中在flcn缺陷状态下AMPK信号是如何被过度激活的。研究人员的研究结果表明，AMPK与FLCN-FNIP1之间的生理关系是，在代谢应激后，AMPK位于FLCN-FNIP1的上游，其中AMPK依赖性的FNIP1磷酸化会严重抑制FLCN-FNIP1的GAP功能，导致TFEB激活。

该研究结果与新出现的模型一致，即FNIP1-FLCN GAP复合物控制RagC在溶酶体中保留TFEB和TFE3，并且TFEB和TFE3是mTORC1在该调控中的特异性和选择性底物。FLCN- fnip1复合体中FLCN的GAP活性所必需的一个关键精氨酸是aa诱导的TFEB和TFE3易位控制所必需的。研究人员的数据表明，AMPK激活抑制FLCN-FNIP1 GAP活性，并促进gtp负载RagC的积累，Rag复合物的失活状态。这种机制允许在低能条件下激活TFEB和TFE3，即使aa充足。AMPK磷酸化FNIP1促进了RagC和mTOR与溶酶体的分离，以及mTOR与TFEB本身的分离，这与mtorc1介导的TFEB磷酸化的缺失一致。在AMPK缺陷或FNIP1中5个AMPK位点突变的细胞中，即使面对能量应激，FNIP1- flcn复合物也不能被AMPK调节，mTOR仍然在溶酶体表面与TFEB结合，使TFEB抵抗线粒体毒素、葡萄糖剥夺或直接AMPK激活剂的激活。相比之下，这些细胞在AA戒断反应中仍表现出正常的TFEB调节。因此，AMPK通过磷酸化FNIP1维持对TFEB和TFE3的特异性控制，而不依赖于AA对FLCN-FNIP1复合物的调节。总的来说，AMPK在Ser220, Ser230, Ser232, Ser261和Ser593位点磷酸化FNIP1是AMPK控制MiT-TFE转录因子家族增加溶酶体生物发生的关键机制，并平行增加PGC1α mRNA，诱导线粒体生物发生，将FNIP1置于多个AMPK依赖过程的中心，而AMPK的直接生化基础物仍然难以捉摸。

DOI：10.1126/science.abj5559

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

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