氨基酸激活牛乳腺上皮细胞甘氨酰tRNA合成酶信号转导途径

Aminoacyl tRNA synthetases have been recently discovered to play diverse signaling roles beyond aminoacylation function. We have previously revealed that glycyl tRNA synthetase (GlyRS) is associated with milk protein synthesis and proliferation in bovine mammary epithelial cell (BMEC). GlyRS undergoes phosphorylation, proteolysis, and nuclear localization to activate gene transcription of mTOR signaling molecules in amino acid sensing. In this research, we aim to reveal the signaling transduction pathway through which amino acids trigger the phosphorylation of GlyRS in BMEC. Based on our previously identified the protein interactome of GlyRS in cytoplasm, herein, we first use in vitro kinase activity assay, in conjunction with gene overexpression and knock down approaches, to identify 1-2 of the upstream kinases of GlyRS in amino acid sensing, to unveil the role of G-protein coupled receptors (GPCRs) and their downstream cdc42/Rac/Rho and/or PI3K-PIP3-PDK1 signaling pathways in activating the upstream kinases of GlyRS in amino acid sensing, and the effects of amino acid transporter on the activation of GPCRs signaling. And based on these results, we further want to use gene function study and transcriptional regulation approaches, to reveal the mediation of GCN2/eIF2α signaling transduction pathway in the regulation of transcription of the upstream signaling molecules of GlyRS in amino acid sensing, furthermore to reveal the positive feedback mechanism by which amino acids trigger GlyRS phosphorylation.

近年发现多种氨基酰tRNA合成酶具有不同信号调控作用。本研究前期发现牛乳腺上皮细胞（BMEC）中甘氨酰tRNA合成酶（GlyRS）应答氨基酸信号，通过磷酸化、分子剪切和细胞核定位机制激活mTOR信号途径分子的基因转录。本研究拟阐明BMEC中氨基酸激活GlyRS发生磷酸化的信号转导途径。依据前期鉴定的GlyRS细胞浆相互作用蛋白质组，利用体外激酶活性检测及基因功能研究等方法鉴定介导氨基酸信号的GlyRS上游激酶1-2个，揭示氨基酸通过G蛋白偶联受体（GPCRs）及其下游cdc42/Rac/Rho和/或PI3K-PIP3-PDK1信号通路激活GlyRS上游激酶的信号转导机制，及氨基酸转运体对氨基酸作用于GPCRs途径的影响。基于以上结果，进一步利用基因功能和转录调控研究方法揭示氨基酸通过GCN2/eIF2α途径调节GlyRS上游信号途径分子基因表达的机制，以及氨基酸激活GlyRS的正反馈机制。

近年来研究发现，氨基酰 tRNA 合成酶（aaRSs）存在氨酰化以外的非经典功能，但对于甘氨酰 tRNA 合成酶（GlyRS）还了解很少。申请人在上一个自然基金面上项目研究中揭示了在牛乳腺上皮细胞（BMEC）中GlyRS 介导了Met等氨基酸对 mTOR 基因转录和信号途径的调节。结果表明，GlyRS 接受氨基酸信号，在 Thr544 位和 Ser704 位发生磷酸化后进入细胞核，在细胞核内GlyRS同NFκB1结合，促进NFκB1磷酸化和结合mTOR等基因启动子从而促进基因转录和激活mTOR等信号途径。本研究进一步开展了在BMEC细胞浆中氨基酸激活GlyRS促进其磷酸化的信号转导途径研究。研究内容主要有：筛选鉴定感受氨基酸信号催化GlyRS 磷酸化的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1~2种；揭示氨基酸通过GPCR及其下游途径作用于GlyRS上游激酶从而激活GlyRS，以及氨基酸转运体等对氨基酸作用于下游途经的影响。取得的重要研究结果有：鉴定发现MAP3K10为感受氨基酸信号催化 GlyRS磷酸化的上游激酶；揭示氨基酸通过GPCR87及其下游CDC42/Rac1-MAP3K10信号途径激活GlyRS；Met通过SNAT2调节PI3K及其下游信号途径；Met通过GCN2/eIF2α途径调节 NFκB1基因表达，但该途径不影响GlyRS对NFκB1的磷酸化作用；Lys通过GPRC6A调节PI3K及其下游信号途径；牛磺酸通过GPR87调节PI3K及其下游信号途径；氨基酸作为信号分子通过mTOR途径促进乳脂合成。本研究成果证明MAP3K10为GlyRS的上游激酶，并深入揭示了Met、Leu、Lys等氨基酸通过GPCR87、GPRC6A等GPCRs激活PI3K和CDC42/Rac1-MAP3K10信号通路从而促进GlyRS磷酸化的分子机理。研究成果深入阐明了在BMEC中氨基酸激活GlyRS的信号转导途径。