Nature?|?多胺如何“屏蔽”磷酸化：代謝物直接塑造剪接與細胞命運

撰文 | 阿童木

代謝活動不僅為細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胞狀態與命運的調控。長期以來，人們對代謝物功能的理解主要建立在其作為底物、輔因子或信號分子的角色之上：代謝通量的變化影響酶活性，進而調控信號通路，最終作用于基因表達和細胞行為。然而，隨著磷酸化組學、轉錄組學等高分辨率技術的發展，一個反復出現的現象逐漸引起關注—— 代謝狀態的改變往往會迅速引發大規模的蛋白修飾和轉錄重編程 ，其變化的速度和幅度已難以僅用經典代謝框架來理解【1】。

多胺是一類在真核生物中高度保守的小分子代謝物，長期被認為與細胞增殖、轉錄調控、翻譯延伸以及染色質結構穩定等過程密切相關。在腫瘤和干細胞系統中，多胺合成通路的活性與細胞命運高度相關，因此常被視為重要的代謝調控節點【2】。然而，盡管多胺的生物學重要性早已被認識，其在分子層面如何協調代謝狀態與基因調控程序，始終缺乏統一的機制解釋。尤其值得注意的是， 多胺具有顯著的多價陽離子特性 ，這一物理化學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轉導與轉錄輸出的關鍵調控層級。剪接體蛋白普遍富含酸性、可磷酸化的結構區域，使其成為激酶調控的理想底物，也為代謝物直接介入信號調控提供了潛在接口【3】。在這一背景下，一個問題逐漸浮現： 代謝物是否可能通過 非 經典信號通路，而是以更直接的方式，影響蛋白修飾和剪接調控？

近日，西班牙 巴斯克研究與技術聯盟 （BRTA） Arkaitz Carracedo 實驗室等在

Nature

Polyamine-dependent metabolic shielding

regulates alternative splicing

研究以對多胺合成高度敏感的前列腺癌細胞系DU145為模型，通過 抑制 AMD1 （ 多胺合成通路 的 關鍵限速酶 ）編碼基因表達 ，系統分析 了 多胺合成受阻后的分子變化。結果顯示， 抑制 AMD1 導致 精脒和精胺的新生合成迅速降低，這一變化早于細胞內總多胺 水平 的明顯下降。質譜分析進一步揭示，在這一早期階段，蛋白磷酸化狀態已經發生顯著改變。時間軌跡分析顯示，一組磷酸化水平隨時間持續升高的肽段對應的蛋白， 主要富集于剪接體、mRNA 結合以及剪接調控相關功能 。

RNA測序結果表明， 抑制多胺合成會引起顯著 且 可重復的選擇性剪接改變，尤其表現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劑量依賴性，并在多個細胞系中得到驗證。外源補充多胺可部分或完全挽救剪接改變，而進一步降低多胺水平則會加重這一表型。在體內，小鼠系統性給藥SAM486A （ AMD1抑制劑 ） 后，骨骼肌中也出現類似的選擇性剪接擾動；在神經母細胞瘤模型中，DFMO處理同樣引發一致的剪接變化，表明這一現象在體內外均具有良好的可重復性。

為定位多胺作用的具體剪接節點， 作 者在HeLa細胞中沉默AMD1，并將其剪接譜與數百種剪接因子敲低的數據進行比較。結果顯示，在相似性分析中， 多胺合成抑制引發的剪接譜與U2 snRNP中SF3A和SF3B亞復合體擾動高度相似，并在所有比較對象中位居前列 。這些亞復合體負責內含子分支點識別，在多種癌癥中常發生改變。計算分析進一步顯示，SF3復合體組分在受影響轉錄本對應的RNA結合蛋白中顯著富集。遺傳或藥物方式干擾SF3復合體功能，可顯著削弱多胺合成抑制引起的剪接變化。值得注意的是，低氧條件通過降低多胺合成酶表達和新生多胺水平，也會觸發依賴SF3復合體的選擇性剪接擾動。

進一步分析發現，多胺合成受阻后，SF3復合體磷酸化 上調 的位點主要集中在酸性富集、等電點較低的肽段 ， 外源補充多胺能夠逆轉這些磷酸化變化。基于這一現象， 作 者提出 多胺可通過其陽離子特性結合酸性可磷酸化基序，形成“代謝屏蔽”，從而阻斷激酶作用 ；當多胺水平降低時，這些位點暴露，磷酸化隨之升高，引發剪接改變。

分子對接和動力學模擬顯示，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數量呈正相關。NMR實驗進一步證實，多胺對酸性肽段具有顯著親和力，而對非酸性對照幾乎無結合。光親和標記實驗在細胞內直接檢測到精脒與SF3A3和SF3B2的相互作用。上游激酶預測指向CK1和CK2，體外實驗表明，多胺可劑量依賴性抑制CK1對SF3成員的磷酸化。相應地，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磷酸化位點突變的小鼠MEFs中，多數對多胺抑制敏感的剪接事件不再響應，進一步支持該機制。 由此可見， 多胺通過 “ 代謝屏蔽 ”抑制 SF3復合體酸性基序的磷酸化，調控剪接體功能和選擇性剪接。

研究還利用精胺類似物BENSpm區分多胺耗竭的不同生物學后果。盡管BENSpm會抑制新生多胺合成并降低內源多胺水平，但由于其保留強陽離子特性，仍能在代謝屏蔽相關過程中發揮作用。實驗證實，BENSpm可結合SF3A3酸性區域并阻斷CK1介導的磷酸化，從而防止多胺合成抑制引起的剪接擾動。在胚胎干細胞中，抑制新生多胺合成會導致Nanog表達下降、多能性受損以及剪接異常，而加入BENSpm可顯著恢復Nanog表達和正常剪接模式 ，即 胚 胎干細胞維持干性需要多胺 合成 ，這一過程至少部分依賴 “ 代謝屏蔽 ” 機制 。

綜上所述，本 研究揭示了一種不同于傳統代謝調控的新機制： 代謝物可憑借其物理化學屬性，直接介入蛋白修飾與剪接調控過程。多胺通過“代謝屏蔽”限制剪接體關鍵位點的磷酸化，從而重塑轉錄輸出并影響細胞命運。這一發現不僅為理解多胺在腫瘤和干細胞中的多重作用提供了統一框架，也提示類似機制可能廣泛存在于其他帶電代謝物與蛋白修飾網絡中，為 “ 代謝–信號–轉錄 ” 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

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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