浅谈mTOR感受细胞营养的机制及效应

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上一篇关于mTOR（哺乳动物雷帕霉素靶蛋白）的故事更新在农历新年后（👉阅读“延寿BOSS”mTOR的传奇故事：【抗衰老研究】细胞生长的指挥官：TOR）时隔4个月，mTOR系统科普文章终成型，这次介绍的是mTOR被称为“细胞营养感受器”的原因，以及为什么抑制mTOR能够延缓衰老，延长寿命。

▲TOR(哺乳动物雷帕霉素靶蛋白)研究里程碑▲

开始之前，先对易混淆概念做个区分：mTOR和AMPK感受的“点”是不同的，AMPK主要感受能量状态，简单理解可以约等于ATP/ADP的比值（二者总和是恒定的）；mTOR主要感受营养物质状态，此处营养物质≈生长因子、多种氨基酸等。

 mTOR的结构 

mTOR对营养物质感受的基础是其结构和信号转导。

mTOR蛋白在人体内以两种复合体的形式存在，分别称为mTORC1和mTORC2。每一种复合体都由mTOR蛋白和几种其他的功能蛋白构成，这些功能蛋白与mTORCs行使多种生长代谢调控效应密不可分，它们有的对mTOR的激活起促进作用，也有的起抑制作用。上游不同的分子信号激活不同的mTORCs元件，精密调控着mTORCs的活性。

a)mTORC1结构

mTORC1由RAPTOR、DEPTOR、PRAS40、mLST8构成。

Raptor：regulatory-associated protein of mTOR）：Raptor通过其TOS基序直接与mTORC1的底物（例如 4E-BP1 和 p70 S6 激酶）相互作用，促进底物募集，有利于mTOR对底物进行磷酸化。Raptor-mTOR的相互作用能够被雷帕霉素给药抑制，说明FKBP-雷帕霉素具有抑制mTORC1信号转导的作用。

FKBP：雷帕霉素发挥抑制作用的结合位点。

mLST8（mammalian homolog of protein Lethal with Sec Thirteen）：与TOR蛋白中的酶活性区域紧紧相连存在于复合体中，担任其专属辅助蛋白，有稳定酶活性等功能。

PRAS40（proline-rich Akt substrate of 40 kDa）：PRAS40既是蛋白激酶B（PKB/Akt）的作用底物, 亦是mTORC1的特异性结合蛋白, 有多个位点可发生磷酸化。PRAS40能够感知并结合底物或调解mTOR的物质中的信号，随后抑制mTORC1。

DEPTOR：致力于和mTORC1、mTORC2相互调控的一种功能蛋白。DEPTOR对mTORC1和mTORC2介导的信号通路都有抑制作用，同时DEPTOR亦反过来被mTORCs负向调控。抑制mTORC1，能使DEPTOR表达显著增高，并且矛盾地，引起mTORC2依赖性信号输出；抑制DEPTOR能显著增加mTORC1活性, mTORC1活性增加又使DEPTOR进一步被抑制。 

b)mTORC2结构

mTORC2由mTOR、Protor、mSin1、DEPTOR、mLST8、Rictor构成。

Rictor（rapamycin-insensitive companion of mTORr）：是种对雷帕霉素不敏感的结构，该结构造成mTORC2和mTORC1对雷帕霉素反应的差异——mTORC1含有Rictor，因此对雷帕霉素敏感，能被雷帕霉素高效抑制，而mTORC2不含Rictor，因此对雷帕霉素不敏感，急性给予雷帕霉素并不能抑制mTORC2的活动。研究显示长时间给予雷帕霉素，细胞mTORC2的信号也会被中止，推测与雷帕霉素的加入影响了TOR蛋白与其他蛋白形成新的mTORC2有关。

DEPTOR：见前文介绍。

mSin1：含有结合磷酸肌醇的PH结构域，对于mTORC2活性的胰岛素依赖性调节至关重要。mSin1 PH结构域在不存在胰岛素的情况下抑制自身mTORC2催化活性，这种自我抑制在质膜上与（PI3K产生的）PIP3结合后得到缓解。

Protor：因为其发现与分离和Rictor有关，被发现者命名为“与Rictor同时观察到的蛋白质” (protein observed with Rictor) ，protor目前已知有两种，分别为protor1和protor2，都和mTOR信号有关。

▲人类mTORC2立体结构图▲

👉mTORC1的上游信号

mTORC1的上有信号主要是氨基酸和生长因子信号、胰岛素等，示意图如下：👇👇

以氨基酸为代表的营养物质，通过Rag复合体-依赖型通路激活mTORC1，而以胰岛素、生长因子信号等通过非Rag-依赖型通路激活mTORC1。具体激活机制如下：👇👇

目前，氨基酸激活mTORC1的机制还在研究中，已经阐明的机制包括精氨酸、亮氨酸、蛋氨酸，和谷氨酰胺对mTORC1的激活。

氨基酸富足将引起mTORC1复合体移动至溶酶体表面。这其中，精氨酸、亮氨酸通过抑制对mTORC1激活器Rag复合体有抑制作用的GATOR1间接激活mTORC1；蛋氨酸通过SAMPTOR-GATOR1通路抑制Rag复合体，最终激活mTORC1。

除氨基酸外的有利于细胞生长的、活化mTORC1的物质有：能量（ATP）、氧、生长因子、胰岛素等，这些因子不通过Rag复合体，而是通过一种非常重要的被称为结节性硬化体（TSC）的分子调节mTOR。

TSC直接的作用对象是一种能活化mTORC1的名为Rheb的分子，当ATP/ADP比值升高、氧气充足、生长因子分泌、胰岛素分泌时，这些信号经不同信号通路传递至TSC，对其产生正向或负向调控效应。

具体而言，ATP/ADP比值升高抑制AMPK活性，而AMPK对TSC为正向调节作用，因此能量充足的结果是mTORC1活化，ATP不足的结果是mTORC1被抑制。氧气充足使REDD1被抑制，从而抑制TSC，活化mTORC1。

生长因子对ERK有激活作用，而ERK是TSC的负调节剂，因此生长因子对mTORC1是正向调控作用。胰岛素对AKT有活化作用，后者是TSC的负调节剂，因此胰岛素是mTORC1的正调节剂。

👉mTORC1的下游效应

mTORC1的下游效应器主要包括S6K、4E-BP1、ULK1和TFEB，它们各自调节不同的细胞功能。S6K和4E-BP1调节细胞内各种mRNA翻译，ULK1直接调节细胞自噬的发生，TFEB调节溶酶体发生（biogenisis）。

①mTORC1活化后，ULK1被直接磷酸化并抑制，ULK1是自噬启动的关键分子，所以mTORC1的活化抑制细胞自噬。

②mTORC1活化导致4E-BP1磷酸化，从而使4E-BP1从4E-BP1 - eIF4E复合体上掉落，触发5'cap依赖型mRNA翻译。

③mTORC1活化导致S6K磷酸化与激活，从而使eIF4B活化，eIF4F活化，eIF4A活化，并与SKAR（外显子连接复合体成分）协同提高剪接、翻译mRNA的效率。

④mTORC1可以磷酸化TFEB和TFE3从而细胞内溶酶体生成，而细胞处于饥饿状态时，被抑制的mTORC1失去了磷酸化TFEB/TFE3的能力，后者进入细胞核，启动溶酶体发生相关基因的转录。

除上述提到的效应外，mTORC1活化还能促进核酸、蛋白质、脂质等营养物质合成，促进糖酵解。

综上，mTORC1的效应可以简化为下图：👇👇

小结：mTORC1活化将抑制自噬，促进糖酵解及生物大分子表达合成。

👉mTORC2的上游信号与下游效应

 mTORC2机制研究相比TOC1明显更少，目前已知mTORC2调节机制如图，黄色代表该信号为mTORC1的正向调节机制，蓝色PTEN为mTORC1的负向调节机制。

mTORC2的下游效应如下：👇👇

第一个被发现的mTORC2的底物是PKCα，它是一种细胞骨架的调节器。随后被发现的底物有PKCd、PKCz、PKCg、PKCε，这些PKC家族的蛋白均在细胞骨架重塑和细胞侵袭（cell migration）过程中起调控作用。

mTORC2最重要的作用大概是磷酸化Akt，Akt是胰岛素/PI3K信号关键效应器。一旦Akt被磷酸化（活化），将通过磷酸化或抑制其下游的多种信号分子：转录因子FoxO1/3a、代谢调节因子GSK3b、 TSC2，促进细胞生存、增殖、生长。mTORC2还能磷酸化活化SGK1，这是另一种AGC激酶，发挥调节金属离子转运和细胞生存的作用。

 mTOR抑制剂

上世纪研究人员发现，使用雷帕霉素抑制mTOR能大幅度延长从单细胞生物到哺乳动物的寿命，因此抑制mTOR成为抗衰老研究的重点；不仅如此，越来越多已知能延长寿命、延缓衰老的机制被发现与抑制mTOR相关（如细胞自噬、热量限制、二甲双胍），但雷帕霉素对常人“毒性”太强，因此mTOR抑制剂研发一直热火朝天。

遗憾的是，mTOR抑制剂在实验室成果丰硕，但在人类身上有良好发挥的却凤毛菱角，且大多数副作用明显，目前成药的雷帕霉素衍生物（称Rapalogs）如下：👇👇

包括但不限于上述mTOR抑制剂的临床运用探索将在日后文章中详细讨论。

除雷帕霉素衍生物外，还有一种特殊的“mTOR抑制剂”，我们的老朋友二甲双胍。

TSC对mTORC1的负向调节是二甲双胍抑制mTOR的机制基础，mTORC1活化也能反过来经ULK1负调控AMPK活性，由此，细胞自噬、细胞ATP水平、细胞营养、细胞内生物大分子合成代谢、基因转录翻译表达、能量代谢方式等等便通过这2种重要的感应机制联系在一起，形成复杂的生长代谢调控网络。

我们的膳食，摄入了多少氨基酸，机体处于饥饿或饱腹，细胞都有办法感受，从而发出“生长”或“抑制”的指令，这些指令不仅仅控制细胞体积增大、质量增加，还与我们的健康状况、衰老程度，甚至大多数疾病发病息息相关。下一次将着重介绍mTOR与衰老的调控。😃😃

参考文献

1.Sabatini, D. M. (2017). Twenty-five years of mTOR: Uncovering the link from nutrients to growth. Proc Natl Acad Sci U S A, 114(45), 11818-11825. doi:10.1073/pnas.1716173114

2.Kim, J. and K.L. Guan, mTOR as a central hub of nutrient signalling and cell growth. Nat Cell Biol, 2019. 21(1): p. 63-71.

3.Benjamin, D., et al., Rapamycin passes the torch: a new generation of mTOR inhibitors. Nat Rev Drug Discov, 2011. 10(11): p. 868-80.

4.Gonzalez, A. and M.N. Hall, Nutrient sensing and TOR signaling in yeast and mammals. EMBO J, 2017. 36(4): p. 397-408.

5.Blagosklonny, M.V., From rapalogs to anti-aging formula. Oncotarget, 2017. 8(22): p. 35492-35507.

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