Nature | 多胺如何“屏蔽”磷酸化：代谢物直接塑造剪接与细胞命运|代谢物|基序|多胺|磷酸化|细胞|蛋白|阳离子

撰文 | 阿童木

代谢活动不仅为细胞提供能量和生物合成所需的原料，也在更深层次上参与细胞状态与命运的调控。长期以来，人们对代谢物功能的理解主要建立在其作为底物、辅因子或信号分子的角色之上：代谢通量的变化影响酶活性，进而调控信号通路，最终作用于基因表达和细胞行为。然而，随着磷酸化组学、转录组学等高分辨率技术的发展，一个反复出现的现象逐渐引起关注—— 代谢状态的改变往往会迅速引发大规模的蛋白修饰和转录重编程，其变化的速度和幅度已难以仅用经典代谢框架来理解【1】。

多胺是一类在真核生物中高度保守的小分子代谢物，长期被认为与细胞增殖、转录调控、翻译延伸以及染色质结构稳定等过程密切相关。在肿瘤和干细胞系统中，多胺合成通路的活性与细胞命运高度相关，因此常被视为重要的代谢调控节点【2】。然而，尽管多胺的生物学重要性早已被认识，其在分子层面如何协调代谢状态与基因调控程序，始终缺乏统一的机制解释。尤其值得注意的是，多胺具有显著的多价阳离子特性，这一物理化学属性在以往研究中往往被视为“背景特征”，而非核心功能。

另一方面，蛋白磷酸化与可变剪接是连接信号转导与转录输出的关键调控层级。剪接体蛋白普遍富含酸性、可磷酸化的结构区域，使其成为激酶调控的理想底物，也为代谢物直接介入信号调控提供了潜在接口【3】。在这一背景下，一个问题逐渐浮现：代谢物是否可能通过非经典信号通路，而是以更直接的方式，影响蛋白修饰和剪接调控？

近日，西班牙巴斯克研究与技术联盟（BRTA） Arkaitz Carracedo 实验室等在

Nature

杂志发表了题为

Polyamine-dependent metabolic shielding

regulates alternative splicing

的研究文章，提出“代谢屏蔽（metabolic shielding）”这一全新机制，揭示多胺并非仅通过代谢通路或下游信号发挥作用。研究显示，多胺凭借其多价阳离子特性，直接结合剪接体蛋白中富含酸性、可磷酸化的结构区域，限制激酶对这些位点的访问，从而重塑磷酸化状态并调控选择性剪接，表明代谢状态可通过物理化学方式直接介入信号调控网络。

研究以对多胺合成高度敏感的前列腺癌细胞系DU145为模型，通过抑制 AMD1 （多胺合成通路的关键限速酶）编码基因表达，系统分析了多胺合成受阻后的分子变化。结果显示，抑制 AMD1 导致精脒和精胺的新生合成迅速降低，这一变化早于细胞内总多胺水平的明显下降。质谱分析进一步揭示，在这一早期阶段，蛋白磷酸化状态已经发生显著改变。时间轨迹分析显示，一组磷酸化水平随时间持续升高的肽段对应的蛋白，主要富集于剪接体、mRNA 结合以及剪接调控相关功能。

RNA测序结果表明，抑制多胺合成会引起显著且可重复的选择性剪接改变，尤其表现为外显子跳跃事件的增加。这些变化在不同遗传和药物抑制条件下呈现剂量依赖性，并在多个细胞系中得到验证。外源补充多胺可部分或完全挽救剪接改变，而进一步降低多胺水平则会加重这一表型。在体内，小鼠系统性给药SAM486A （ AMD1抑制剂）后，骨骼肌中也出现类似的选择性剪接扰动；在神经母细胞瘤模型中，DFMO处理同样引发一致的剪接变化，表明这一现象在体内外均具有良好的可重复性。

为定位多胺作用的具体剪接节点，作者在HeLa细胞中沉默AMD1，并将其剪接谱与数百种剪接因子敲低的数据进行比较。结果显示，在相似性分析中，多胺合成抑制引发的剪接谱与U2 snRNP中SF3A和SF3B亚复合体扰动高度相似，并在所有比较对象中位居前列。这些亚复合体负责内含子分支点识别，在多种癌症中常发生改变。计算分析进一步显示，SF3复合体组分在受影响转录本对应的RNA结合蛋白中显著富集。遗传或药物方式干扰SF3复合体功能，可显著削弱多胺合成抑制引起的剪接变化。值得注意的是，低氧条件通过降低多胺合成酶表达和新生多胺水平，也会触发依赖SF3复合体的选择性剪接扰动。

进一步分析发现，多胺合成受阻后，SF3复合体磷酸化上调的位点主要集中在酸性富集、等电点较低的肽段，外源补充多胺能够逆转这些磷酸化变化。基于这一现象，作者提出多胺可通过其阳离子特性结合酸性可磷酸化基序，形成“代谢屏蔽”，从而阻断激酶作用；当多胺水平降低时，这些位点暴露，磷酸化随之升高，引发剪接改变。

分子对接和动力学模拟显示，腐胺、精脒和精胺均可与SF3A3的酸性基序形成盐桥，且屏蔽能力与其铵基团数量呈正相关。NMR实验进一步证实，多胺对酸性肽段具有显著亲和力，而对非酸性对照几乎无结合。光亲和标记实验在细胞内直接检测到精脒与SF3A3和SF3B2的相互作用。上游激酶预测指向CK1和CK2，体外实验表明，多胺可剂量依赖性抑制CK1对SF3成员的磷酸化。相应地，CK1/CK2抑制剂CX4945能显著减弱多胺合成抑制引起的剪接变化。SF3A3磷酸化位点突变的小鼠MEFs中，多数对多胺抑制敏感的剪接事件不再响应，进一步支持该机制。由此可见，多胺通过 “ 代谢屏蔽 ”抑制 SF3复合体酸性基序的磷酸化，调控剪接体功能和选择性剪接。

研究还利用精胺类似物BENSpm区分多胺耗竭的不同生物学后果。尽管BENSpm会抑制新生多胺合成并降低内源多胺水平，但由于其保留强阳离子特性，仍能在代谢屏蔽相关过程中发挥作用。实验证实，BENSpm可结合SF3A3酸性区域并阻断CK1介导的磷酸化，从而防止多胺合成抑制引起的剪接扰动。在胚胎干细胞中，抑制新生多胺合成会导致Nanog表达下降、多能性受损以及剪接异常，而加入BENSpm可显著恢复Nanog表达和正常剪接模式，即胚胎干细胞维持干性需要多胺合成，这一过程至少部分依赖 “ 代谢屏蔽 ” 机制。

综上所述，本研究揭示了一种不同于传统代谢调控的新机制：代谢物可凭借其物理化学属性，直接介入蛋白修饰与剪接调控过程。多胺通过“代谢屏蔽”限制剪接体关键位点的磷酸化，从而重塑转录输出并影响细胞命运。这一发现不仅为理解多胺在肿瘤和干细胞中的多重作用提供了统一框架，也提示类似机制可能广泛存在于其他带电代谢物与蛋白修饰网络中，为 “ 代谢–信号–转录 ” 耦合研究提供了新的视角。

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

制版人：十一

参考文献

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).

学术合作组织

（*排名不分先后）