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在细胞代谢研究中，细胞如何响应营养变化调控代谢尚不明晰。湖北大学研究人员开展了 PKA 对 Rpd3/HDAC1 调控机制的研究，发现 PKA 可磷酸化 Rpd3/HDAC1，促进 TCA 循环，揭示了从酵母到哺乳动物的保守调控机制，为抗癌研究提供思路。
在生命的微观世界里，细胞如同一个个精密的小工厂，时刻根据外界环境的变化调整自身的代谢活动，以维持正常的生长和功能。当面临营养物质的波动时，细胞需要迅速做出反应，重新编程其代谢过程。肿瘤细胞在肿瘤微环境中，就会随着营养物质的变化不断调整代谢，这一过程与肿瘤的发展和恶化密切相关。然而，细胞究竟是如何感知外界营养变化，并将其转化为细胞内代谢调整的信号，长期以来一直是科学界的未解之谜。这一谜题的解开对于寻找潜在的抗癌靶点至关重要，因为如果能明确细胞代谢调控的关键节点，就有可能开发出精准的抗癌药物，阻断肿瘤细胞的异常代谢，从而抑制肿瘤生长。
在这样的背景下，湖北大学的研究人员踏上了探索之路。他们聚焦于细胞代谢适应的机制，致力于揭示细胞如何将外界营养信号转化为内部代谢变化。研究发现，蛋白激酶 A（PKA）在这一过程中扮演着关键角色。当细胞以蔗糖作为唯一碳源时，PKA 的催化亚基 Tpk2 被激活，Tpk2 通过磷酸化组蛋白去乙酰化酶 Rpd3，抑制其对 SAGA 复合物中亚基 Ada3 的去乙酰化作用，进而促进 SAGA 二聚化，增强核小体乙酰化，促进参与蔗糖利用和三羧酸（TCA）循环相关基因的转录，使细胞代谢从糖酵解转变为 TCA 循环。更为重要的是，PKA 对 Rpd3 的调控机制在哺乳动物中同样保守，PKA 可磷酸化哺乳动物中 Rpd3 的同源物 HDAC1，抑制其去乙酰化酶活性，促进 TCA 循环基因转录，维持细胞的正常生长。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为深入理解细胞代谢调控机制提供了重要依据，也为抗癌药物的研发开辟了新的方向。
研究人员在研究过程中运用了多种关键技术方法。通过免疫沉淀结合质谱分析，鉴定出与 Rpd3 相互作用的蛋白 Tpk2；利用体外激酶实验和突变体构建，确定 Tpk2 对 Rpd3 和 Ash1 的磷酸化位点及功能；借助染色质免疫沉淀（ChIP）实验和 RNA 测序（RNA-seq）技术，分析基因转录和组蛋白修饰情况；采用液相色谱 - 质谱（LC-MS）分析代谢物水平，从而全面深入地探究细胞代谢调控机制。
研究结果主要包括以下几个方面：
- Rpd3L 复合物对 Ada3 的去乙酰化及蔗糖的抑制作用：研究发现，在酵母中，Rpd3 存在于三种不同的复合物（Rpd3L、Rpd3S 和 Rpd3μ）中，其中 Rpd3L 是主要负责去乙酰化 SAGA 复合物中 Ada3 的复合物。通过对 Rpd3L、Rpd3S 和 Rpd3μ 特异性亚基缺失突变体的研究，发现缺失 Rpd3L 特异性亚基会增加 Ada3 的乙酰化水平，而缺失 Rpd3S 或 Rpd3μ 特异性亚基对其影响较小。体外去乙酰化实验也证实了 Rpd3L 对 Ada3 的去乙酰化作用。此外，当细胞在含蔗糖的培养基中生长时，Rpd3L 的去乙酰化酶活性受到抑制，导致 Ada3 乙酰化水平升高，增强了细胞对压力条件的抵抗能力。
- 蔗糖抑制 Rpd3L 介导的 Ada3 去乙酰化的信号通路：为了解蔗糖抑制 Rpd3L 介导的 Ada3 去乙酰化的机制，研究人员通过免疫沉淀和质谱分析发现 Tpk2 与 Rpd3 相互作用。进一步研究表明，Tpk2 是蔗糖诱导 Ada3 乙酰化所必需的，缺失 Tpk2 会增强 Rpd3 与 Ada3 的相互作用，且 Tpk2 可抑制 Rpd3L 介导的 Ada3 去乙酰化。通过对 cAMP 相关通路的研究，发现蔗糖通过 Gpr1 - Gpa2 - Cyr1 - Tpk2 通路激活 Tpk2，从而抑制 Rpd3L 介导的 Ada3 去乙酰化。
- Tpk2 对 Rpd3 的磷酸化作用及功能：Tpk2 可直接磷酸化 Rpd3 的丝氨酸 50 和丝氨酸 354 位点。通过生物信息学分析、突变体构建和体外激酶实验等方法，证实了 Tpk2 对 Rpd3 的磷酸化作用。且 Tpk2 对 Rpd3 的磷酸化可抑制其去乙酰化酶活性，影响 Ada3 的乙酰化水平，进而影响 SAGA 复合物的二聚化和核小体的乙酰化。
- Tpk2 对 Ash1 的磷酸化作用及对 Rpd3L 与 SAGA 相互作用的影响：Tpk2 还可磷酸化 Rpd3L 亚基 Ash1，通过序列分析确定了 Ash1 的潜在磷酸化位点 S149 和 S388。研究发现，Tpk2 对 Ash1 的磷酸化会减少 Rpd3L 与 SAGA 的相互作用，抑制 Rpd3L 介导的 Ada3 去乙酰化。突变体实验表明，Ash1 的磷酸化状态会影响其与 Ubp8 和 Ada3 的相互作用，进而影响 Rpd3L 与 SAGA 的相互作用及 Ada3 的乙酰化水平。
- Tpk2 催化的 Rpd3L 磷酸化对 SAGA 二聚化、组蛋白乙酰化和代谢基因转录的影响：Tpk2 催化的 Rpd3L 磷酸化促进了 SAGA 二聚化和组蛋白乙酰化，增强了 SAGA 复合物的活性。研究发现，缺失 Tpk2 或突变 Rpd3L 相关亚基会减少 SAGA 二聚化和组蛋白乙酰化水平。同时，Tpk2 催化的 Rpd3L 磷酸化还促进了参与蔗糖代谢和 TCA 循环相关基因的转录，使细胞代谢从糖酵解转变为 TCA 循环，增强了细胞在压力条件下的生存能力。
- PKA 对 HDAC1 的磷酸化作用及对代谢基因转录的影响：在哺乳动物中，PKA 可磷酸化 HDAC1（Rpd3 的同源物）。通过对肝癌细胞系 HepG2 的研究发现，敲低 PKA 催化亚基基因会降低组蛋白 H3K9ac 和 H3K14ac 的水平，而敲低 HDAC1 会增加这些组蛋白的乙酰化水平。进一步研究表明，PKA 对 HDAC1 的磷酸化抑制了其去乙酰化酶活性，促进了 TCA 循环基因的转录，维持了细胞的正常生长。在小鼠实验中也证实了这一调控机制在哺乳动物体内的重要性。
研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了 PKA 在调控 Rpd3/HDAC1 和代谢适应中的保守作用。PKA 通过磷酸化 Rpd3/HDAC1，将细胞外营养变化与染色质修饰和代谢基因转录联系起来，这一机制从酵母到哺乳动物都高度保守。研究还发现，Tpk2 对 Rpd3L 的特异性调控可能与 Tpk2 的相对高表达以及对蔗糖的快速响应有关。此外，该研究还确定了酵母细胞感知和响应蔗糖的新途径，即 Gpr1 - Gpa2 - Cyr1 - Tpk2 通路。这一研究成果不仅为深入理解细胞代谢调控机制提供了新的视角，也为未来癌症治疗提供了潜在的靶点和策略，具有重要的理论意义和临床应用价值。
