mTOR通过瞬时抑制APC/C激活糖酵解促进细胞周期进入的分子机制

细胞周期进入需要协调代谢重编程与周期调控，但APC/CCDH1同时抑制糖酵解和DNA复制的矛盾机制尚未阐明。美国国立癌症研究所Steven D. Cappell团队发现mTOR通过磷酸化CDH1-Thr129介导APC/C瞬时失活，促使PFKFB3积累驱动糖酵解脉冲，揭示了一个由mTOR-APC/C-蛋白磷酸酶构成的前馈环路调控机制，为癌症代谢异常提供新见解。该研究发表于《Nature》。

　　

细胞如何协调能量代谢与增殖需求是生命科学的核心问题。当哺乳动物细胞从静止期（G0）进入细胞周期时，面临一个看似矛盾的调控困境：一方面需要激活糖酵解（glycolysis）快速产生ATP和生物合成前体；另一方面，后期促进复合物/周期体（anaphase-promoting complex/cyclosome, APC/C）与其共激活因子CDH1组成的APC/C^CDH1复合体必须保持活性以防止DNA过早复制。更复杂的是，APC/C^CDH1会降解PFKFB3等糖酵解关键酶，理论上将抑制细胞周期启动所需的代谢转换。这个"既要马儿跑又要马儿不吃草"的生物学悖论，长期以来困扰着研究人员。

美国国立癌症研究院（National Cancer Institute, NIH）Steven D. Cappell团队在《Nature》发表的研究破解了这一谜题。研究人员发现细胞通过一个精巧的"不一致前馈环路"（incoherent feedforward loop）实现时空解耦：有丝分裂原刺激后，mTORC1快速磷酸化CDH1的Thr129位点，导致其与APC/C核心部分解离，使APC/C活性短暂降低约33%；这种部分失活使得糖酵解限速酶PFKFB3得以积累，驱动糖酵解通量瞬时升高；随后延迟激活的蛋白磷酸酶去除CDH1磷酸化，恢复APC/C完全活性，使代谢偏好转回氧化磷酸化（OXPHOS）。这种脉冲式调控既满足了周期进入的能量需求，又避免了DNA复制许可失控。

研究团队运用多项关键技术：1）构建APC/C活性生物传感器（geminin-mCherry）和CDK2活性报告系统（DHB-mVenus）实现单细胞动态监测；2）采用¹³C₆-葡萄糖示踪和Seahorse能量代谢分析系统量化糖酵解通量；3）开发数学模型模拟mTOR-APC/C-磷酸酶前馈环路动力学；4）通过体外重组APC/C泛素化体系验证CDH1磷酸化对酶活的影响；5）利用诱导表达系统和位点特异性突变体（T129A/D）解析磷酸化功能。

主要研究发现包括：

1. APC/C在G0/G1期存在瞬时失活
   通过活细胞成像发现，退出静止期的MCF-10A细胞在G0/G1过渡期（有丝分裂原刺激后1-6小时）出现APC/C生物传感器短暂积累，早于G1/S转换时的完全失活。蛋白酶体抑制剂MG132处理显示该阶段APC/C活性降低约33%，且该现象仅存在于周期再进入的首个周期。

2. mTORC1通过磷酸化CDH1-Thr129调控APC/C
   免疫共沉淀证实CDH1与mTORC1存在相互作用。体外激酶实验结合质谱鉴定发现mTOR特异性磷酸化CDH1氨基端Thr129位点。CDH1-T129D（磷酸化模拟突变）与APC/C核心结合减弱，导致cyclin B^NTD泛素化效率降低40%，而T129A（非磷酸化突变）则阻断rapamycin对APC/C的激活效应。

3. 前馈环路产生糖酵解脉冲
   磷酸酶抑制剂实验显示CDH1去磷酸化过程约延迟4小时启动，形成"快速抑制-延迟激活"的前馈调控。数学模型再现了这种时序差异产生的APC/C活性脉冲。代谢分析显示该脉冲使糖酵解速率提高2.3倍，PFKFB3蛋白水平峰值出现在刺激后4小时，且依赖CDH1-T129位点可逆磷酸化。

4. 代谢脉冲驱动周期进入
   表达CDH1-T129A或抑制PFKFB3使细胞周期进入率降低68%。短暂（6-8小时）阻断该通路即足以抑制CDK2激活，证明代谢脉冲是周期启动的"点火装置"。值得注意的是，癌细胞中持续高表达的PFKFB3可能源于该调控环路异常。

这项研究揭示了细胞周期与代谢协同调控的精密时空调控机制：mTORC1介导的CDH1-Thr129磷酸化如同一个"分子定时器"，通过短暂解除APC/C对糖酵解的抑制，为生物大分子合成提供原料；而延迟的磷酸酶激活则防止代谢重编程过度延长。这种脉冲式调控既满足了G1期建设的能量需求，又避免了持续糖酵解导致的基因组不稳定。该发现不仅完善了细胞周期理论框架，也为靶向癌症代谢（如PFKFB3抑制剂开发）提供了新视角。特别值得注意的是，APC/C这种"部分失活"的调控模式突破了传统"全或无"的开关认知，展现了细胞信号转导的精细调控策略。