撰文 | 阿童木

代謝活動(dòng)不僅為細(xì)胞提供能量和生物合成所需的原料，也在更深層次上參與細(xì)胞狀態(tài)與命運(yùn)的調(diào)控。長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)代謝物功能的理解主要建立在其作為底物、輔因子或信號(hào)分子的角色之上：代謝通量的變化影響酶活性，進(jìn)而調(diào)控信號(hào)通路，最終作用于基因表達(dá)和細(xì)胞行為。然而，隨著磷酸化組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等高分辨率技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象逐漸引起關(guān)注—— 代謝狀態(tài)的改變往往會(huì)迅速引發(fā)大規(guī)模的蛋白修飾和轉(zhuǎn)錄重編程 ，其變化的速度和幅度已難以僅用經(jīng)典代謝框架來(lái)理解【1】。

多胺是一類在真核生物中高度保守的小分子代謝物，長(zhǎng)期被認(rèn)為與細(xì)胞增殖、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、翻譯延伸以及染色質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等過(guò)程密切相關(guān)。在腫瘤和干細(xì)胞系統(tǒng)中，多胺合成通路的活性與細(xì)胞命運(yùn)高度相關(guān)，因此常被視為重要的代謝調(diào)控節(jié)點(diǎn)【2】。然而，盡管多胺的生物學(xué)重要性早已被認(rèn)識(shí)，其在分子層面如何協(xié)調(diào)代謝狀態(tài)與基因調(diào)控程序，始終缺乏統(tǒng)一的機(jī)制解釋。尤其值得注意的是， 多胺具有顯著的多價(jià)陽(yáng)離子特性 ，這一物理化學(xué)屬性在以往研究中往往被視為“背景特征”，而非 核心 功能。

另一方面，蛋白磷酸化與可變剪接是連接信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄輸出的關(guān)鍵調(diào)控層級(jí)。剪接體蛋白普遍富含酸性、可磷酸化的結(jié)構(gòu)區(qū)域，使其成為激酶調(diào)控的理想底物，也為代謝物直接介入信號(hào)調(diào)控提供了潛在接口【3】。在這一背景下，一個(gè)問(wèn)題逐漸浮現(xiàn)： 代謝物是否可能通過(guò) 非 經(jīng)典信號(hào)通路，而是以更直接的方式，影響蛋白修飾和剪接調(diào)控？

近日，西班牙 巴斯克研究與技術(shù)聯(lián)盟 （BRTA） Arkaitz Carracedo 實(shí)驗(yàn)室等在

Nature

Polyamine-dependent metabolic shielding

regulates alternative splicing

研究以對(duì)多胺合成高度敏感的前列腺癌細(xì)胞系DU145為模型，通過(guò) 抑制 AMD1 （ 多胺合成通路 的 關(guān)鍵限速酶 ）編碼基因表達(dá) ，系統(tǒng)分析 了 多胺合成受阻后的分子變化。結(jié)果顯示， 抑制 AMD1 導(dǎo)致 精脒和精胺的新生合成迅速降低，這一變化早于細(xì)胞內(nèi)總多胺 水平 的明顯下降。質(zhì)譜分析進(jìn)一步揭示，在這一早期階段，蛋白磷酸化狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生顯著改變。時(shí)間軌跡分析顯示，一組磷酸化水平隨時(shí)間持續(xù)升高的肽段對(duì)應(yīng)的蛋白， 主要富集于剪接體、mRNA 結(jié)合以及剪接調(diào)控相關(guān)功能 。

RNA測(cè)序結(jié)果表明， 抑制多胺合成會(huì)引起顯著 且 可重復(fù)的選擇性剪接改變，尤其表現(xiàn)為外顯子跳躍事件的增加 。這些變化在不同遺傳和藥物抑制條件下呈現(xiàn)劑量依賴性，并在多個(gè)細(xì)胞系中得到驗(yàn)證。外源補(bǔ)充多胺可部分或完全挽救剪接改變，而進(jìn)一步降低多胺水平則會(huì)加重這一表型。在體內(nèi)，小鼠系統(tǒng)性給藥SAM486A （ AMD1抑制劑 ） 后，骨骼肌中也出現(xiàn)類似的選擇性剪接擾動(dòng)；在神經(jīng)母細(xì)胞瘤模型中，DFMO處理同樣引發(fā)一致的剪接變化，表明這一現(xiàn)象在體內(nèi)外均具有良好的可重復(fù)性。

為定位多胺作用的具體剪接節(jié)點(diǎn)， 作 者在HeLa細(xì)胞中沉默AMD1，并將其剪接譜與數(shù)百種剪接因子敲低的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果顯示，在相似性分析中， 多胺合成抑制引發(fā)的剪接譜與U2 snRNP中SF3A和SF3B亞復(fù)合體擾動(dòng)高度相似，并在所有比較對(duì)象中位居前列 。這些亞復(fù)合體負(fù)責(zé)內(nèi)含子分支點(diǎn)識(shí)別，在多種癌癥中常發(fā)生改變。計(jì)算分析進(jìn)一步顯示，SF3復(fù)合體組分在受影響轉(zhuǎn)錄本對(duì)應(yīng)的RNA結(jié)合蛋白中顯著富集。遺傳或藥物方式干擾SF3復(fù)合體功能，可顯著削弱多胺合成抑制引起的剪接變化。值得注意的是，低氧條件通過(guò)降低多胺合成酶表達(dá)和新生多胺水平，也會(huì)觸發(fā)依賴SF3復(fù)合體的選擇性剪接擾動(dòng)。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，多胺合成受阻后，SF3復(fù)合體磷酸化 上調(diào) 的位點(diǎn)主要集中在酸性富集、等電點(diǎn)較低的肽段 ， 外源補(bǔ)充多胺能夠逆轉(zhuǎn)這些磷酸化變化?；谶@一現(xiàn)象， 作 者提出 多胺可通過(guò)其陽(yáng)離子特性結(jié)合酸性可磷酸化基序，形成“代謝屏蔽”，從而阻斷激酶作用 ；當(dāng)多胺水平降低時(shí)，這些位點(diǎn)暴露，磷酸化隨之升高，引發(fā)剪接改變。

分子對(duì)接和動(dòng)力學(xué)模擬顯示，腐胺、精脒和精胺均可與SF3A3的酸性基序形成鹽橋，且屏蔽能力與其銨基團(tuán)數(shù)量呈正相關(guān)。NMR實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，多胺對(duì)酸性肽段具有顯著親和力，而對(duì)非酸性對(duì)照幾乎無(wú)結(jié)合。光親和標(biāo)記實(shí)驗(yàn)在細(xì)胞內(nèi)直接檢測(cè)到精脒與SF3A3和SF3B2的相互作用。上游激酶預(yù)測(cè)指向CK1和CK2，體外實(shí)驗(yàn)表明，多胺可劑量依賴性抑制CK1對(duì)SF3成員的磷酸化。相應(yīng)地，CK1/CK2抑制劑CX4945能顯著減弱多胺合成抑制引起的剪接變化。SF3A3磷酸化位點(diǎn)突變的小鼠MEFs中，多數(shù)對(duì)多胺抑制敏感的剪接事件不再響應(yīng)，進(jìn)一步支持該機(jī)制。 由此可見(jiàn)， 多胺通過(guò) “ 代謝屏蔽 ”抑制 SF3復(fù)合體酸性基序的磷酸化，調(diào)控剪接體功能和選擇性剪接。

研究還利用精胺類似物BENSpm區(qū)分多胺耗竭的不同生物學(xué)后果。盡管BENSpm會(huì)抑制新生多胺合成并降低內(nèi)源多胺水平，但由于其保留強(qiáng)陽(yáng)離子特性，仍能在代謝屏蔽相關(guān)過(guò)程中發(fā)揮作用。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，BENSpm可結(jié)合SF3A3酸性區(qū)域并阻斷CK1介導(dǎo)的磷酸化，從而防止多胺合成抑制引起的剪接擾動(dòng)。在胚胎干細(xì)胞中，抑制新生多胺合成會(huì)導(dǎo)致Nanog表達(dá)下降、多能性受損以及剪接異常，而加入BENSpm可顯著恢復(fù)Nanog表達(dá)和正常剪接模式 ，即 胚 胎干細(xì)胞維持干性需要多胺 合成 ，這一過(guò)程至少部分依賴 “ 代謝屏蔽 ” 機(jī)制 。

綜上所述，本 研究揭示了一種不同于傳統(tǒng)代謝調(diào)控的新機(jī)制： 代謝物可憑借其物理化學(xué)屬性，直接介入蛋白修飾與剪接調(diào)控過(guò)程。多胺通過(guò)“代謝屏蔽”限制剪接體關(guān)鍵位點(diǎn)的磷酸化，從而重塑轉(zhuǎn)錄輸出并影響細(xì)胞命運(yùn)。這一發(fā)現(xiàn)不僅為理解多胺在腫瘤和干細(xì)胞中的多重作用提供了統(tǒng)一框架，也提示類似機(jī)制可能廣泛存在于其他帶電代謝物與蛋白修飾網(wǎng)絡(luò)中，為 “ 代謝–信號(hào)–轉(zhuǎn)錄 ” 耦合研究提供了新的視角。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09965-1

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1. Zhang B, Schroeder F C. Mechanisms of metabolism-coupled protein modifications.Nat.Chem.Biol., 2025: 1-12.

2. Holbert, C. E., Cullen, M. T., Casero, R. A. Jr & Stewart, T. M. Polyamines in cancer: integrating organismal metabolism and antitumour immunity.Nat. Rev. Cancer22, 467–480 (2022).

3. Rogalska, M. E., Vivori, C. & Valcárcel, J. Regulation of pre-mRNA splicing: roles in physiology and disease, and therapeutic prospects.Nat. Rev. Genet. 24, 251–269 (2023).

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