谷氨酰胺稳态通过GS调控LATS稳定性激活Hippo通路的新机制

《Cell Reports》：Glutamine synthetase modulates YAP activation by stabilizing LATS under glutamine homeostasis

本研究揭示了谷氨酰胺稳态通过抑制谷氨酰胺合成酶（GS）稳定LATS1，进而激活Hippo通路抑制YAP1活性的新机制。研究人员发现GS与LATS1相互作用并促进其泛素化降解，而谷氨酰胺富集通过下调GS表达稳定LATS1，导致YAP磷酸化和核质穿梭抑制。该发现不仅阐明了代谢信号与生长调控通路的新型交叉对话，还为靶向谷氨酰胺代谢的癌症治疗提供了新策略。

　　

在肿瘤生物学领域，癌细胞的代谢重编程一直是研究的焦点。其中，谷氨酰胺作为最丰富的循环氨基酸，不仅是癌细胞生物合成的重要底物，更是调控关键信号通路的重要分子。然而，尽管已知谷氨酰胺能够通过mTOR通路促进细胞生长，但其是否以及如何与其他生长调控通路相互作用，特别是与著名的肿瘤抑制通路——Hippo通路之间的关联，至今仍不明确。这一知识空白限制了人们全面理解癌细胞如何整合代谢信号与生长信号，也阻碍了相关靶向治疗策略的发展。

针对这一问题，来自大连理工大学和中国科学院大连化学物理研究所的研究团队在《Cell Reports》上发表了最新研究成果。他们通过系统的实验设计，意外发现谷氨酰胺能够显著激活Hippo通路，这一发现打破了传统认知。机制上，他们揭示谷氨酰胺合成酶（GS）作为关键分子桥梁，直接与Hippo通路核心激酶LATS1相互作用，并促进其通过泛素-蛋白酶体途径降解。而当细胞内谷氨酰胺水平升高时，GS表达被抑制，从而稳定LATS1蛋白，增强其对下游效应因子YAP的磷酸化作用，最终抑制YAP的转录活性。

这项研究的意义在于首次建立了谷氨酰胺代谢与Hippo通路之间的直接联系，揭示了GS作为代谢酶的非经典功能，为理解癌细胞中代谢信号与生长信号整合提供了新视角。更重要的是，研究发现了谷氨酰胺同时激活Hippo（抑制生长）和mTOR（促进生长）这一看似矛盾的现象，提示癌细胞中存在精细的信号平衡机制，这为开发针对谷氨酰胺代谢的联合治疗策略提供了理论依据。

研究人员主要运用了RNA测序分析、免疫印迹、免疫共沉淀、免疫荧光、基因敲除/敲低、泛素化分析、代谢流分析、临床样本免疫组化以及生物信息学分析等多种技术方法，从细胞系、动物模型到临床样本多个层面验证了他们的发现。

谷氨酰胺稳态直接调控Hippo通路

研究人员首先通过RNA测序技术，在H1299和H2030细胞中设置了四种不同处理条件，以区分谷氨酰胺和mTOR信号的影响。结果显示，谷氨酰胺处理能够特异性下调多个Hippo通路相关基因的表达，如CCN2、TEAD1/4和AMOTL1/2。通路富集分析进一步确认谷氨酰胺处理与Hippo和mTOR通路的调控显著相关。通过qRT-PCR和免疫印迹验证，发现谷氨酰胺丰富条件确实能降低YAP1靶基因CTGF、CYR61和ANKRD1的表达，且这一效应不受mTOR抑制剂雷帕霉素的影响，证明谷氨酰胺对Hippo通路的调控独立于mTOR信号。

谷氨酰胺稳态调控YAP1磷酸化

为了阐明Hippo通路在响应谷氨酰胺时的具体变化，研究团队检测了多种细胞系中YAP1的磷酸化水平。他们发现谷氨酰胺补充能增加YAP1在S127和S397位点的磷酸化，这两个位点正是Hippo通路上游激酶LATS的关键磷酸化位点。值得注意的是，谷氨酰胺的这一效应具有特异性，因为其他mTOR调控相关的氨基酸（如亮氨酸和精氨酸）并不能诱导YAP1磷酸化。

谷氨酰胺调控LATS介导的YAP1磷酸化

进一步机制探索表明，谷氨酰胺剥夺会降低LATS1的表达和YAP1磷酸化，而重新引入谷氨酰胺则能恢复LATS1水平和YAP1磷酸化。使用GS抑制剂MSO的实验证明，谷氨酰胺本身（而非其类似物）是这一生物学过程的调节者。有趣的是，葡萄糖剥夺会显著增加YAP1磷酸化，而谷氨酰胺剥夺则降低YAP1磷酸化，表明这两种主要营养物质对Hippo通路存在截然不同的调控机制。

GS抑制LATS1表达

通过构建GS敲低和敲除细胞系，研究人员证实GS缺失会上调LATS1表达和YAP1磷酸化。相反，在GS敲除细胞中回补GS则能逆转这一效应。重要的是，GS的酶活性缺失突变体（R324C和K241A）同样能够抑制LATS1表达，表明GS对LATS的调控不依赖于其合成谷氨酰胺的酶活性。在LATS1/2双敲除细胞中，谷氨酰胺处理无法诱导YAP磷酸化，证明LATS是谷氨酰胺信号传递的必要中介。

谷氨酰胺稳态通过调控GS表达稳定LATS蛋白

研究表明，谷氨酰胺富集通过泛素化和SUMO化修饰抑制GS表达，从而增加LATS稳定性。蛋白质稳定性实验发现，GS敲除显著增强了内源性LATS1/2蛋白的稳定性，而蛋白酶体抑制剂MG132能够保护LATS1/2免受降解。免疫共沉淀实验证实GS与LATS1存在直接相互作用，且谷氨酰胺处理能以剂量依赖的方式减弱这种相互作用。结构域映射分析显示，GS的催化结构域与LATS1的PY基序区域结合最强。

谷氨酰胺稳态通过调控其泛素化稳定LATS蛋白

泛素化实验显示，在GS敲除的HEK293T细胞中回补GS会显著增加LATS1的泛素化水平，而谷氨酰胺补充则抑制这种泛素化。研究人员进一步鉴定出WWP1和ITCH是介导LATS1泛素化的E3连接酶。GS能够增强LATS1与WWP1/ITCH的相互作用，而这一作用在谷氨酰胺存在时减弱。激酶失活的LATS1突变体（Y376/Y559A）虽然仍能与GS结合，但无法与E3连接酶形成复合物。此外，GS也能增强SIAH2介导的LATS2泛素化。

谷氨酰胺富集激活Hippo通路但增强mTOR通路

代谢流分析显示，GS敲除细胞中¹³C标记的谷氨酸水平显著积累，表明GS缺失增强了谷氨酰胺酶（GLS）的活性。体内外实验证明，联合使用GLS抑制剂CB839和mTOR抑制剂雷帕霉素能显著抑制肿瘤生长，但这一效应在GS敲除的肿瘤中被削弱。TCGA数据库分析显示，GS表达与Hippo通路活性负相关，而GLS表达与mTOR通路正相关。临床样本免疫组化分析进一步验证了GS与p-S6、LATS1和p-YAP(127)的表达呈负相关。

谷氨酰胺/GS-Hippo/mTOR轴影响癌症预后

生存分析显示，GS或GLS高表达且同时伴有YAP1或S6高表达的患者总体生存期更差。同时高表达GS/YAP1/S6（或S6K）的患者预后最差，表明谷氨酰胺代谢与Hippo/mTOR通路的协同失调是癌症不良预后的重要因素。

研究结论与讨论部分指出，这项工作意外地发现谷氨酰胺能够强力激活Hippo通路，这一调控通过GS介导的LATS稳定性调节实现。与亮氨酸和精氨酸等氨基酸不同，谷氨酰胺单独即可有效触发Hippo通路，且不依赖于上游激酶MST，而是直接促进LATS激活。研究揭示了GS作为代谢酶的非经典功能——作为Hippo通路的上游调控因子，其酶活性在此过程中并非必需。尤为重要的是，谷氨酰胺同时激活Hippo（生长抑制）和mTOR（生长促进）通路的现象，提示癌细胞中存在复杂的信号平衡机制。这一发现将Hippo通路与代谢事件联系起来，为癌症生物学研究开辟了新方向，同时提示同时靶向mTOR和GLS的联合治疗策略具有重要临床价值。

研究的局限性在于，虽然鉴定出WWP1和ITCH是潜在的E3连接酶，但GS促进LATS1泛素化的精确机制仍需进一步阐明。此外，谷氨酰胺稳态如何通过GS协调平衡Hippo和mTOR通路的具体机制也有待深入研究。