科学家早就认识到营养能够影响这一过程。但单个营养物质究竟如何发送信号以改变线粒体活性，此前一直不太清楚。
目前，由科隆大学遗传学研究所及CECAD衰老研究卓越集群的Thorsten Hoppe教授博士领导的研究人员，已鉴定出一种涉及氨基酸亮氨酸的新机制。他们的研究结果表明，亮氨酸能够帮助稳定线粒体中的重要蛋白质，使该细胞器能够更高效地产生能量。
这项发表在《自然细胞生物学》上的研究题为“亮氨酸抑制线粒体外膜蛋白的降解以适应线粒体呼吸”。
亮氨酸如何帮助线粒体产生能量
亮氨酸是一种必需氨基酸，这意味着人体自身无法合成足够的量，必须通过食物获取。氨基酸是合成蛋白质的构建模块，而亮氨酸在富含蛋白质的食物中尤为丰富，如乳制品、肉类、豆类和小扁豆。
研究人员发现，亮氨酸不仅参与蛋白质的合成，还有助于防止位于线粒体外表面的某些蛋白质发生分解。
这些蛋白质在代谢过程中发挥着重要作用，因为它们协助将其他分子转运至线粒体内，作为细胞产能机器的一部分被利用。当亮氨酸帮助维持这些蛋白质时，线粒体能够更有效地运作，并增加细胞产生的能量。
“我们非常兴奋地发现，细胞的营养状态，尤其是其亮氨酸水平，会直接影响能量产生，”该研究的第一作者Qiaochu Li博士表示。“这一机制使细胞能够在营养丰足时期迅速适应增加的能量需求。”
细胞质量控制蛋白发挥关键作用
研究团队将这一效应追溯至一种名为SEL1L的蛋白质，该蛋白质参与细胞质量控制。
细胞会不断检查其蛋白质，因为受损或错误折叠的蛋白质会干扰正常功能。SEL1L帮助识别应当被清除的蛋白质，并引导它们进行降解。
据研究人员介绍，亮氨酸似乎能降低SEL1L的活性。这意味着被分解的线粒体蛋白质减少，从而使更多蛋白质得以保留在原位并维持线粒体功能。
“调节亮氨酸和SEL1L水平可能成为提升能量产生的策略，”Li补充道。“然而，必须谨慎行事。SEL1L在防止受损蛋白质积累方面也发挥着至关重要的作用，这对于长期的细胞健康不可或缺。”
这一警告非常重要，因为增加能量产生并非在任何情况下都是有益的。维持有用蛋白质的同一套细胞系统也有助于清除有缺陷的蛋白质，因此改变这种平衡可能会产生意想不到的后果。
对生育能力和癌细胞的影响
为了探究亮氨酸代谢的更广泛影响，研究人员还对秀丽隐杆线虫进行了研究，这是一种生物学中常用的小型线虫，因为其许多细胞过程与更复杂生物体内的过程相似。
在这些线虫中，亮氨酸分解出现问题会破坏线粒体功能，并与生育障碍有关。
科学家们还对人肺癌细胞进行了检查。他们发现，一些影响亮氨酸代谢的突变可能有助于癌细胞存活。这一观察结果对未来癌症研究可能具有重要意义，因为改变亮氨酸相关通路的治疗方法可能会以不同方式同时影响健康细胞和肿瘤细胞。
饮食不仅仅是提供燃料
这些发现为越来越多的证据增添了新的内容，表明营养物质的作用不仅仅是简单地为身体提供原料。它们还可以作为信号来影响细胞的功能。
在本研究中，亮氨酸似乎能够通过保护关键线粒体蛋白质免受降解，帮助细胞根据营养物质的可用性来调节能量产生。
通过揭示亮氨酸、蛋白质质量控制与线粒体代谢之间这一此前未知的联系，研究人员为细胞能量产生受损的疾病（包括癌症和代谢紊乱）确定了潜在的新靶点。
这项工作得到了CECAD框架下德国卓越战略以及德国研究基金会（DFG）资助的多个合作研究中心的支持。欧洲研究委员会通过ERC高级资助项目“蛋白质质量控制-降解的细胞策略”（CellularPQCD）以及亚历山大·冯·洪堡基金会提供了额外支持。