Nature Metabolism: 细胞初级纤毛通过天冬酰胺合成酶感知谷氨酰胺的可用性并作出反应

2023年3月，意大利圣拉斐尔科学研究所等单位的相关研究人员在《Nature Metabolism》（IF: 19.9）上发表了题为“Primary cilia sense glutamine availability and respond via asparagine synthetase”的研究论文，揭示了细胞初级纤毛对谷氨酰胺的感觉机制。

亮点概述：

初级纤毛通过谷氨酰胺介导的再修复来响应营养状态并调节其长度。
营养缺乏导致纤毛伸长，这由线粒体功能降低、ATP可用性和AMPK激活介导。
纤毛的谷氨酰胺反应是由天冬酰胺合成酶（ASNS）介导的。

研究背景：

据报道，超过35种由初级纤毛功能改变引起的不同疾病影响了各种器官和生理系统，统称为纤毛病。当这些疾病是由运动纤毛破坏引起时，它们被归类为运动纤毛病；当它们是由原发性、非运动性纤毛改变引起时，则被归类为感觉纤毛病。肾在感觉纤毛疾病中经常受到严重影响，表现出广泛的表型，包括囊肿形成、炎症和纤维化。

初级纤毛的功能在很大程度上仍然是难以捉摸的。在大多数细胞类型中，它似乎充当一个中心枢纽，接收细胞外信号并整合细胞内反应，协调关键细胞功能，如增殖和自噬。纤毛也被证明通过脂肪细胞激素受体调节全身代谢反应，为肥胖作为纤毛病的常见表型提供了可能的解释。

由于初级纤毛精确的感觉功能尚不清楚，研究人员首先探究了初级纤毛是否有助于营养感应。通过将小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）、人类视网膜色素上皮细胞（hRPE）、小鼠内髓集合管细胞（mIMCD3）和Madin–Darby犬肾细胞（MDCK II型）暴露于血清或营养剥夺环境，发现营养物质的去除强烈地诱导纤毛伸长，部分细胞还出现纤毛细胞百分比增加的情况。

接着，研究人员构建了初级纤毛缺陷的MEF和mIMCD3细胞，用以探究原发纤毛是否参与细胞代谢的调节。血清饥饿条件下细胞外培养基的非靶向代谢组学分析表明，初级纤毛缺陷细胞中代谢产物的消耗/生产发生了显著变化，特别是葡萄糖和谷氨酰胺（细胞中的两种主要碳源）的利用，包括葡萄糖和谷氨酰胺消耗减少，谷氨酸和乳酸产生显著减少。此外，谷氨酰胺（而不是葡萄糖）逆转了所分析的所有细胞系中营养剥夺诱导的纤毛伸长。虽然葡萄糖是稳态条件下的首选能量来源，但谷氨酰胺反而成为细胞在代谢应激条件下（如营养物质可用性降低）氧化磷酸化（OXPHOS）和ATP生产的首选碳源。与此一致，补充谷氨酰胺而不是葡萄糖足以驱动暴露于营养缺乏的细胞中OXPHOS和ATP的产生。

初级纤毛感知营养物质的可用性

进一步研究表明，谷氨酰胺促进的线粒体活性在纤毛伸长中发挥作用，由于OXPHOS减少和随后的AMPK激活，ATP产生减少促进纤毛伸长，而营养胁迫后的纤毛伸长被谷氨酰胺以剂量依赖的方式逆转。此外，在体内也同样可以观察到，初级纤毛响应营养胁迫而伸长，响应谷氨酰胺水平而缩短。

初级纤毛在体外和体内对谷氨酰胺的反应

随后，探究人员探究了纤毛缺乏细胞对代谢应激反应的变化。在代谢应激暴露或补充谷氨酰胺时，通过液相色谱-质谱（LC–MS）对纤毛缺陷和对照MEF细胞进行靶向代谢组学分析。发现在代谢应急暴露下，137种代谢物中有49种在两组细胞之间发生了显著变化。补充谷氨酰胺虽然逆转了部分代谢物的变化，但纤毛缺陷细胞仍表现出三羧酸（TCA）循环中间体的显著变化，耗氧率（OCR）的降低，表明缺少纤毛的细胞利用谷氨酰胺的水平降低，并在代谢压力条件下显示出线粒体呼吸的缺陷。

纤毛脱落细胞在应激条件下对谷氨酰胺的反应缺陷

有趣的是，在纤毛缺乏细胞中观察到谷氨酰胺和天冬酰胺的显著减少，因此，研究人员进一步探究了天冬酰胺合成酶（ASNS）对纤毛对谷氨酰胺反应的调控作用。发现纤毛对谷氨酰胺的反应不依赖于天冬酰胺，而Asns的沉默极大地抑制了暴露于营养缺乏的MEF和mIMCD3细胞中谷氨酰胺驱动的线粒体呼吸，表明在代谢应激条件下，Asns支持谷氨酰胺产生谷氨酸，以通过修复维持线粒体活性。使用氮标记的谷氨酰胺进行稳定同位素追踪，随后进行LC–MS分析，证实与对照组相比，纤毛缺陷MEF细胞谷氨酰胺摄取以及氮标记的天冬酰胺释放显著减少，表明纤毛缺陷突变体中酶ASNS活性降低。研究人员最后分析了ASNS和初级纤毛之间的相互联系，发现ASNS至少部分定位在纤毛底部。