揭开mTOR神秘面纱

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过几十年的研究表明,mTOR属于一个重要的真核细胞信号,其稳定性影响T细胞中细胞因子的表达,参与免疫抑制,影响转录和蛋白质合成,调节细胞的生长、凋亡、自噬等。mTOR则被认定为肿瘤治疗的新靶点,对运动、代谢、神经等疾病具有重要的调节作用。

在疾病研究方面,mTOR在各种细胞过程中被激活,比如肿瘤形成、血管生成、胰岛素抵抗、脂肪形成及淋巴细胞活化,在多种癌症及2型糖尿病中表达失调。mTOR抑制剂(雷帕霉素及其类似物)已经应用于实体瘤、器官移植、类风湿性关节炎等疾病的治疗研究中。

图一 mTOR主要功能

但是仍有很多功能的机制未得到解答,比如mTORC2是如何调控的,以及它控制哪些生理过程?mTORC1和mTORC2信号通路如何相互融合?这些复合物在成人组织和器官中的功能是什么以及它们在健康和疾病中的功能障碍或失调的影响是什么?是否有额外的mTOR复合物可以调节其他生物过程?

mTOR结构

结构决定功能,因此,我们先来说一说mTOR两种复合体mTORC1和mTORC2的结构,以便于更好的解释mTOR的多重复杂功能。

mTORC1结构

mTORC1由三个核心组件构成:mTOR、Raptor和mLST8。其中mTOR是复合物的催化亚基。Raptor是mTOR调控相关蛋白质,与TOR信号基序结合促进mTORC1的底物募集。mLST8与mTORC1催化结构域相关联,可以稳定激酶活化,但是该蛋白却不影响体内mTORC1活性。除了核心组件,mTORC1还有两种抑制性亚基PRAS40和DEPTOR。当mTORC1的活性降低时,PRAS40和Deptor被招募,进一步的抑制mTORC1表达。而当mTORC1激活后,直接磷酸化PRAS40和Deptor,降低他们的抑制作用并进一步激活mTORC1信号传导。

图二 mTORC1亚单位和mTOR上各自的结合位点

mTORC2结构

mTORC2核心组件包含:mTOR、Rictor和mLST8。其中mTOR与mTORC1一样,属于复合物催化亚基。Rictor是对雷帕霉素不敏感的mTOR伴侣,可以与Protor-1相互作用,但是相互作用的生理功能还不清楚。通过基因敲除证明mLST8对mTORC2功能是必需的。与mTORC1类似,Deptor负调节mTORC2活性,目前是mTORC2的唯一特征性内源性抑制剂。mTORC2还有一种组件:mSIN1,属于哺乳动物应激激活的蛋白激酶相互作用蛋白。

图三 mTORC2亚单位和mTOR上各自的结合位点

mTOR控制细胞生长

细胞为了生长和分裂,需要增加蛋白质、脂质及核苷酸的产量,还要抑制分解代谢过程,比如自噬,mTORC1在调节这些过程中发挥着核心作用。mTORC1主要通过磷酸化两种关键效应物S6K1和4EBP来促进蛋白质合成。mTORC1直接磷酸化S6K1并激活促进mRNA翻译起始的若干底物(如eIF4B),还会促进PDCD4的降解,与SKAR相互作用增强mRNA的翻译效率,从而促进蛋白质合成。

细胞膜的形成需要脂质,mTORC1通过SREBP转录因子促进脂质合成,满足细胞生长过程中膜的形成。最近的研究发现,mTORC1还促进细胞生长和增殖中DNA复制和核糖体合成所需核苷酸的合成。mTORC1促进ATF4表达,进一步增加MTHFD2表达,提供嘌呤合成的碳单位。S6K1的磷酸化可以激活CAD酶,促进嘧啶合成。

mTORC1还通过抑制蛋白质分解代谢促进细胞生长(自噬)。在营养充足的条件下,mTORC1使ULK1磷酸化,阻止AMPK对其激活,防止ULK1与ATG和FIP200形成复合物,细胞不发生自噬。因此,在不同的细胞环境中,mTORC1和AMPK的相对活性可以决定自噬诱导的程度。mTORC1还通过磷酸化和抑制转录因子TFEB的核移位来调节自噬。

图四 mTORC1调控下的主要信号通路

mTORC1通过促进葡萄糖代谢来促进细胞生长。mTORC1增加转录因子HIF1a的翻译,促进磷酸果糖激酶(PFK)表达。此外,mTORC1激活SREBP,增加NADPH和其他中间代谢物形成。

图五 mTORC1控制多种转录因子的激活

mTORC1调节细胞生长和代谢,而mTORC2则主要通过AGC(PKA/PKG/PKC)家族的几个成员来控制细胞增殖和存活。第一个被鉴定的mTORC2底物是PKCa,肌动蛋白细胞骨架的调节剂。最近,mTORC2也被证明可以磷酸化PKC家族的几个其他成员,包括PKCd、PKCz以及PKCg和PKCε。

图六 mTCRO2调控下的主要信号通路

然而,mTORC2最重要的作用可能是Akt的磷酸化和激活。Akt是胰岛素/PI3K信号传导的关键效应物。一旦活化,Akt通过磷酸化和抑制几种关键底物来促进细胞存活、增殖和生长,包括FoxO1/3a转录因子、GSK3b和TSC2。最后,mTORC2还磷酸化并激活SGK1,调控离子转运以及细胞存活。

多种复杂信号激活mTOR通路

mTORC1促进细胞生长的过程主要由生长因子、能量状态、含氧量和氨基酸这四种信号调节。参与调节mTORC1活性的最重要蛋白质是TSC(属于TSC1/2异二聚体)。TSC作为小Ras相关GTP酶活化蛋白(GAP)起作用。

生长因子通过激活经典胰岛素和Ras信号通路来刺激mTORC1。通过细胞外信号ERK1/2和RSK1增加PKB(即AKT)对TSC2的磷酸化,导致TSC1/2失活,激活mTORC1。胰岛素及其表面受体的结合,促进酪氨酸激酶活性,募集IRS1,激活PI3K,在细胞质膜上募集和活化AKT。在多种细胞类型中,mTORC1的活化抑制PI3K上游的PI3K-AKT信号通路。其它独立于IRS1通路可能有助于mTORC1的逆向抑制,比如TSC1/2的丧失抑制PDGFR的表达,但是mTOR信号如何控制PDGFR表达仍有待确定。

细胞的能量状态通过AMPK激酶发信号给mTORC1。当能力消耗时,AMPK被激活并使TSC2磷酸化,降低mTORC1活化。此外,AMPK可以通过直接磷酸化Raptor来降低mTORC1的活性,以回应能量耗竭。

氧水平通过多种途径影响mTORC1活性。在轻度缺氧的条件下,ATP水平的降低激活AMPK,其促进TSC1/2激活并抑制mTORC1信号传导。低氧还可以通过REDD1的转录调节激活TSC1/2。REDD1通过从其生长因子诱导的14-3-3蛋白质释放TSC2来阻断mTORC1信号传导。

氨基酸代表正调控mTORC1的信号。亮氨酸是mTORC1激活所需的必需氨基酸,以谷氨酰胺依赖性方式转运进入细胞。最近还报道了氨基酸调节mTORC1信号传导的几种其他机制,包括将Folliculin-FNIP2复合物,通过相关的Arf家族GTP酶独立于Rag GTP酶活化mTORC1。最近的一篇报道发现小多肽SPAR与v-ATPase-Ragulator复合物共同抑制mTORC1向溶酶体的募集。

与mTORC1相比,mTORC2相关信号通路知之甚少。近年来,科研人员利用多种分子生物学技术,证明mTORC2在各种生物过程中起关键作用,包括细胞存活、代谢、增殖和细胞骨架组织,但具体机制还有待进一步深入研究。

图七 mTOR信号通路(如需大图,可在文章底部留言)

mTOR在疾病治疗的研究进展

1999年雷帕霉素已成为肾脏移植的临床免疫抑制剂。从机制上讲,mTORC1促进T细胞激活,并激活免疫微环境信号IL-2、CD28等。在抗原呈递过程中,mTORC1抑制,导致T细胞无反应性,让肿瘤细胞产生免疫逃逸。最近研究发现mTORC1可以影响T细胞的成熟。

mTOR是神经生物学过程中重要调节者。核心组件Raptor或Rictor在神经元中的缺失会导致神经元减少和早期死亡,mTORC1和mTORC2的信号传导对于正确的大脑发育是重要的。在结节性硬化症患者中会出现一些使人神经衰弱疾病,包括癫痫、自闭症和良性脑肿瘤。

mTORC1调节许多致癌通路的突变,如PI3K/Akt通路和Ras/Raf/Mek/Erk(MAPK)通路。此外,常见肿瘤抑制因子TP53和LKB1是TSC1和TSC2上游的负调节因子,这些因子也是通过对家族性癌症综合征(结节性硬化症)的遗传分析被发现的。基因MTOR的突变也已经在各种癌症的亚型中被发现,与mTOR在肿瘤发生中的作用一致。

图八 mTORC与癌症调控

mTORC1激活的过程可能有助于肿瘤发生,4EBP磷酸化启动翻译程序最关键的,已在小鼠Akt驱动的前列腺癌和T细胞淋巴瘤模型得到证实。与此一致的是,各种Akt和Erk驱动的癌细胞系依赖于4EBP磷酸化,并且4EBP与eIF4E表达的比率对mTOR抑制剂的敏感性相关。

mTORC2与癌症的关联归因于其在激活Akt中的作用,Akt驱动促进增殖过程如葡萄糖摄取和糖酵解,同时还抑制细胞凋亡。一些PI3K/Akt驱动的肿瘤似乎依赖于mTORC2活性,因为Rictor在由PTEN损失驱动的前列腺癌小鼠模型中以及在缺乏PTEN的人前列腺癌细胞系中是必需的。

图九 mTORC抑制剂与癌症

mTOR在衰老中的作用

mTOR信号传导与各种生物体的老化过程相关,如酵母、蠕虫、苍蝇和哺乳动物。首先在线虫中发现mTOR与衰老相关,研究证明mTOR或Raptor同系物的表达,降低了寿命延长。随后的基因研究发现减少TOR信号也能促进果蝇、出芽酵母以及小鼠的寿命。并且,mTOR抑制剂雷帕霉素是目前唯一被证明可延长所有这些模型生物寿命的药物。

虽然现在普遍认为mTOR信号在哺乳动物衰老中起着关键作用,但发生这种情况的机制仍不清楚。几条证据表明,mTORC1抑制mRNA翻译,减少蛋白毒性和氧化应激的积累,延缓衰老,这与mTORC1底物S6K1的丧失也延长哺乳动物寿命的观察结果一致。抑制mTORC1,可以增加自噬,进而减缓衰老,有助于清除受损的蛋白质和线粒体等细胞器,减少衰老因子的累积及相关疾病的发生。mTOR抑制剂增强小鼠造血干细胞和肠干细胞的自我更新能力。mTORC1信号传导可以调节多种关键细胞的功能。

图十 mTORC1与衰老

展望

mTOR信号在细胞和生物体的代谢方面具有重要作用。对mTOR功能和调节机制的研究,在最近几年不断取得新进展,通过对模式动物小鼠的遗传学和药理学研究,增强了mTOR功能障碍对疾病的影响。

虽然对mTORC1的研究已经很多,对其机制也基本了解,但是对这些信号的重要性及其背景机制还有待确认。例如,对结节性硬化症的影响机制。对一些复合物的生物学作用还不清楚,如Sestrin2、CASTOR1和SLC38A9。未来mTOR研究的主要焦点将是解决这些分子机制,以及是否可以改善临床上mTOR的靶向治疗。

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