mTORC1信號通路對能量代謝調控作用及其機制

李繼維　張瑩

摘 要：哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTORC1）通路是細胞內最主要的能量感受器，能感受營養(yǎng)和激素、與能量需求相關的多個細胞功能的調節(jié)相關的上游調節(jié)信號。調節(jié)下游信號從而影響不同的細胞代謝，從蛋白質和脂質合成到線粒體活性等不同方面調節(jié)細胞代謝。作為對細胞代謝過程的調節(jié)，mTORC1的活性在外周激活有利于脂肪細胞活化，脂肪生成，葡萄糖攝取和β細胞數量的增加。本文綜述了現有的知識對mTORC1的作用在能量平衡和能量代謝的調節(jié)，特別是旨在提供有關mTORC1在功能細胞中心能夠整合不同激素的作用的背景下的研究進展進行了綜述。

關鍵詞：mTORC1復合物；能量代謝；雷帕霉素

中圖分類號：R339.6 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.03.016

文章編號：1006-1959（2018）03-0048-04

Abstract：The mammalian target of the rapamycin（mTORC1）pathway is the most important energy receptor in the cell and can sense upregulation of nutrients and hormones associated with the regulation of multiple cellular functions associated with energy requirements.Regulate the downstream signals and thus affect different cell metabolism，regulate cellular metabolism from different aspects such as protein and lipid synthesis to mitochondrial activity.As a regulator of cellular metabolism， the activation of mTORC1 in peripheral activation facilitates adipocyte activation，lipogenesis，glucose uptake，and increased beta cell mass.This review summarizes the current state of knowledge that the effects of mTORC1 on the regulation of energy balance and energy metabolism are reviewed in particular in the context of providing background on the role of mTORC1 in the integration of different hormones in functional cellular centers.

Key words：mTORC1 complex；Energy metabolism；Rapamycin

適當的細胞功能和機體的生存取決于準確的能量可用性和隨著細胞生長和代謝活性的耦合性，在過去十年中，mTORC1已成為一個重要的細胞能量傳感器，因為它能夠對營養(yǎng)物質、生長因子、激素信號、氧的可用性、蛋白質合成、脂質合成、溶酶體的生物合成、細胞自噬和神經形態(tài)活動等過程進行調節(jié)[1]。在生物體水平，mTORC1是通過控制食物攝入和體重變化在中樞神經系統(tǒng)的作用參與能量平衡和代謝的調節(jié)，在外周器官，mTOR影響葡萄糖和脂質代謝，對一些特征的疾病如肥胖癥、2型糖尿病、癌癥和神經退行性疾病有特殊的調節(jié)作用，證據表明，在維持代謝平衡中mTORC1的重要性進一步凸顯。

1 mTORC1復合物

mTORC1是mTOR的一種復合物，mTOR是一種進化上保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，在細胞內，mTOR與其他蛋白質相結合形成是兩個不同的復合物，稱為mTOR復合物1（mTORC1）和mTOR復合物2（mTORC2），兩者表現出對雷帕霉素不同的敏感性，mTORC1對雷帕霉素的抑制作用較為敏感。mTOR的催化結構域包含不同的磷酸化位點是位于上游的目標（即蛋白激酶AMPK，Akt）和下游（即S6K）等，從而調節(jié)mTOR活性[2]。mTORC1的特征成分是Raptor，Raptor沒有內源酶的活性，但它是mTORC1激酶活性和調節(jié)下游底物必不可少的。mTORC1作為mTOR兩種信號復合物之一，表現出了mTOR的主要調節(jié)機制。通過快速響應細胞內能量水平、營養(yǎng)素、生長因子和激素，可控制多種細胞功能，包括蛋白質的合成和基因轉錄翻譯[3]。mTORC1也是參與能量平衡與代謝調控最復雜機制。

2 mTORC1的調節(jié)因子

2.1 mTORC1的上游調控因子 mTORC1可整合上游信號轉導通路，參與生理和病理過程。一些上游刺激信號，如生長因子、激素、營養(yǎng)物質（如氨基酸和葡萄糖）、三磷酸腺苷（ATP）、細胞應激和氧。通過上游調節(jié)因子或直接調節(jié)mTOR激酶有助于mTORC1的激活。

豐富的大腦RAS同源物（Rheb）在與GTP結合的條件下激活mTORC1。TSC1/2異二聚體是mTORC1上游的關鍵負性調控因子，它作為GTP酶的激活蛋白，可使下游的Rheb處于與GTP解離的失活狀態(tài)，從而抑制mTORC1。胰島素和生長因子如胰島素樣生長因子1（IGF1）通過磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/蛋白激酶B（PKB或Akt）激活mTORC1信號通路[4-5]。

胰島素激活mTORC1能力受損后，減少細胞內ATP水平引起的糖供應下降或對線粒體呼吸的抑制作用，提示細胞能量直接影響mTOR激酶的活性。細胞內ATP水平對mTOR活性的影響已被歸因于高的離解常數。然而，降低對葡萄糖的利用從而降低ATP水平只有約兩倍，這不太可能是ATP影響mTORC1的活性主要機制。缺氧或DNA損傷或低的ATP水平從而磷酸化蛋白激酶（AMPK）。然后直接磷酸化AMPK激活TSC2，激活其GTP酶功能，從而抑制rheb-mtorc1信號通路。此外，通過直接磷酸化AMPK抑制mTORC1信號[6]。相反，mTORC1下游底物S6激酶（S6K-1）可負調控AMPK，表現與下丘腦通過激素、瘦素對食物攝入進行調節(jié)有關[7-8]。細胞應激、缺氧等損傷的DNA也可以抑制mTORC1。特別是，缺氧誘導的DNA損傷反應1（REDD1）的轉錄表達調控，從而激活TSC2。有趣的是，缺氧誘導因子1α（HIF1α），對細胞內氧濃度的變化，不存在這樣的的調解作用。

最后，氨基酸，是蛋白質、脂質和ATP合成中間產物，mTORC1的活性主要受支鏈氨基酸（BCAA）的調節(jié)，如亮氨酸和精氨酸[9]。然而，這一重要激活mTORC1的機制也是目前了解最少的一個調節(jié)機制[8]。氨基酸利用率似乎是通過2個途徑作用于mTORC1：第一個導致細胞內鈣水平的增加，激活人的空泡分選蛋白34（hvps34），III類磷脂酰肌醇3激酶；二是作用于GTP酶調節(jié)劑（lamtor1-3）和液泡H（+）-ATP酶（V-ATPase），從而促進mTORC1的遷移到溶酶體表面從而激活mTORC1[10]。

2.2 mTORC1下游的調控分子 由于mTORC1是在細胞和機體水平的關鍵能量調節(jié)傳感器，其信號通路參與多種重要的細胞過程，從調控蛋白質合成到線粒體的生物合成和功能。

蛋白質的合成和翻譯是細胞生長必不可少的，是最好的研究細胞功能受mTORC1影響的一個調節(jié)通路。特別是mTORC1的磷酸化S6K1和eif-4e-binding蛋白1（4E-BP1），分別誘導mRNA的生物合成和翻譯[2]。S6K1還參與翻譯起始和延伸。此外，還促進核糖體RNA的表達和轉移RNA（tRNA）轉錄[3]。S6K1磷酸化狀態(tài)，其下游靶S6核糖體蛋白（S6）和4EBP1作為主要的細胞和組織中的mTORC1活性標志物。值得注意的是，對mTORC1通路可通過IRS蛋白對S6K1依賴性抑制胰島素介導的PI3K/Akt通路持續(xù)激活。這種負反饋可能會導致細胞胰島素的脫敏和抵抗（恩等，2004）。除了控制蛋白質的合成，mTORC1積極參與核糖體和線粒體ATP合成。特別是，mTORC1通過激活HIF1α調控翻譯轉錄增加糖酵解通量[11]。而其他的一些研究已經表明，mTORC1激活PPARγ共激活因子1α和允許與轉錄因子相互作用的YY1增加線粒體DNA含量和氧化代謝。

mTORC1可調節(jié)細胞膜的生成所需的脂類合成，特別是固醇調節(jié)元件結合蛋白的合成從而推動細胞的生長[11]。此外，mTORC1激活時通過上調過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARγ）的表達和活性可促進脂質積累。

最后，在營養(yǎng)豐富的條件下，mTORC1促進細胞代謝從而抑制細胞自噬過程。在營養(yǎng)缺乏條件下，mTORC1促進細胞內受損的細胞器的再利用和細胞適應細胞器損傷需要一個過程[3]。特別是，mTORC1可磷酸化自噬UNC-51-樣激酶1（ULK1），抑制AMPK的自噬體的形成，抑制其作用，從而最終阻止自噬。

mTOR通路的調節(jié)（圖1）：激素、生長因子和營養(yǎng)物質等上游信號可以激活mTORC1通路。不同的上游激酶如AKT、ErK等通過抑制TSC1/TSC2調節(jié)mTORC1的活性。低葡萄糖，低ATP和低氧水平以及DNA損傷導致AMPK激活，抑制mTORC1激活TSC1/TSC2或直接磷酸化mTORC1組件Raptor。氨基酸誘導人液泡蛋白分選34激活（hvps34）和 GTP酶來調節(jié)mTORC1的活性。反過來，mTORC1激活導致其下游靶核糖體蛋白S6激酶的磷酸化（活化），核糖體蛋白S6（S6K1）和真核起始因子4E結合蛋白（4E-BP1）和多種細胞功能的調節(jié)。

3 mTORC1對糖的調節(jié)作用

在外周的代謝相關的組織中mTORC1可以說是最重要的細胞內營養(yǎng)調節(jié)的信號轉導通路，如mTORC1在骨骼肌和胰腺內分泌的活性和葡萄糖的攝取和代謝之間的調節(jié)關系一直是研究熱點。在肌肉細胞2-脫氧葡萄糖體外暴露時，能快速抑制mTORC1，而雷帕霉素抑制葡萄糖氧化同時導致脂肪酸氧化，而mTORC1活性導致幾種類型細胞的葡萄糖轉運蛋白的表達增加，從而促進葡萄糖的攝取[12-13]?，F有的證據也支持mTORC1信號對胰島素敏感性的調節(jié)的作用。事實上，S6K1，一旦被激活后，通過負反饋回路調節(jié)胰島素信號通路。如果暴露于慢性高脂飲食時，mTORC1通路的不斷激活，最終導致IRS1磷酸化和胰島素抵抗。mTOR持續(xù)活化可能因此表現出生理適應機制最初旨在減少葡萄糖代謝及對細胞造成的氧化應激誘導的胰島素抵抗。在這種解釋的支持，最近的研究表明，胰島素抵抗在Zucker肥胖大鼠的心臟出現mTORC1的活性增加，從而增加血管緊張素Ⅱ型受體（AT2R）表達保護適應營養(yǎng)過剩[14]。

葡萄糖需要功能性mTORC1信號正向調節(jié)β-細胞的生長和增殖，誘導胰島素的合成[15]。因此，S6K1和S6基因敲除小鼠顯示胰島大小減少、葡萄糖耐受不良和低胰島素血癥。相反，遺傳模型的特點是由一個特定的β細胞過度性激活mTORC1，如那些缺失的TSC2或LKB1（上游激酶激活AMPK）的β-細胞，出現β細胞質量增加和葡萄糖耐受性個改變。值得注意的是，雷帕霉素作為mTOR信號通路的特異性抑制劑，當雷帕霉素被用于治療癌癥（如腎細胞癌）或誘導器官移植免疫抑制時，葡萄糖不耐受和糖尿病發(fā)展是雷帕霉素及其衍生物常見的副作用[15]。雷帕霉素具有抑制β細胞增殖，誘導細胞凋亡，在動物模型中通過抑制葡萄糖刺激的胰島素分泌引起肥胖糖尿病。

4 mTORC1調節(jié)脂質代謝

mTOR的信號傳導通路在食物充足的時候被激活，mTOR及其復合物正向調節(jié)脂肪合成，抑制脂肪分解。藥理和遺傳研究表明，骨髓間質干細胞分化為成熟脂肪細胞需要mTORC1信號?？傮w表明，mTORC1有助于促進脂肪細胞分化。一些遺傳模型，進一步支持了mTORC1在脂質代謝中的至關重要的作用，mTORC1激活終端脂肪細胞分化。通過mTORC1控制脂肪細胞的分子機制是目前積極探索的主題，它們涉及C/EBP-α和PPARγ，和其他的一些分子靶點[6]。有趣的是，胰島素誘導脂肪生成取決于mTORC1，mTORC1的活性有利于增加脂肪細胞瘦素產生。mTORC1信號已被證明能夠抑制脂肪組織中的脂解過程。特別是，mTORC1抑制后增加已知甘油三酯脂肪酶（ATGL）在脂肪細胞中的轉錄，進而刺激脂解[16]。相反，激活mTORC1后激素敏感脂肪酶（HSL）的活性降低和減少釋放游離脂肪酸[17]。最后，有越來越多的證據表明，mTORC1抑制脂肪酸的氧化和酮體生成[6]。事實上，TSC1基因敲除小鼠肝臟特異性生酮作用的缺陷，而肝細胞特異性基因敲除的小鼠禁食后Raptor激活可誘導增加生酮作用。因此，到目前為止提供的證據表明，mTORC1有利于脂肪的合成和脂肪合成的脂質代謝發(fā)揮明顯作用，從而促進脂質合成和貯存，同時抑制脂肪分解，在脂肪酸氧化和生酮作用中所發(fā)揮的重要作用，高血脂成為經常利用這種藥物治療的患者中的另一個重要的副作用，也說明雷帕霉素能誘導的高血脂。

6 mTORC1調節(jié)氨基酸代謝

mTORC1信號通路是細胞內重要的調控蛋白質代謝通路之一，氨基酸氨基酸不僅是合成蛋白質的底物，同時也作為一種信號分子參與調控mTORC1信號通路，溶酶體是氨基酸激活mTORC1信號通路的一個關鍵細胞器，溶酶體表面的v-ATPase、Ragulator、Rag GTPase等復合體為mTORC1在溶酶體上的定位提供停泊位點，Ragulator-Rag所介導mTORC1在溶酶體表面的定位是氨基酸激活mTORC1信號通路的關鍵步驟[18-19]。氨基酸必須首先在溶酶體腔內蓄積才能起始感應信號，且是一種依賴于溶酶體氨基酸轉運感受體SLC38A9的作用方式，上述研究結果有利于深入理解氨基酸調節(jié)mTORC1信號通路的作用機制。隨和研究的深入，參與氨基酸調節(jié)mTORC1上游信號通路的調節(jié)蛋白質陸續(xù)被發(fā)現，Sesterins、GATOR2、GATOR1均被發(fā)現參與調節(jié)此信號通路，但GATOR復合體對MTORC1的調節(jié)并不依賴Ragulator[20]。

7 總結與展望

mTORC1信號通路是參與多種細胞功能的調節(jié)重的要調節(jié)通路，在能量平衡的外周代謝和中樞神經系統(tǒng)調節(jié)中起關鍵作用。 mTORC1和mTORC2對代謝平衡的調節(jié)的關系還需要進一步的研究。一些不同的觀點任然存在，臨床上，mTORC1是肥胖、糖尿病、癌癥和神經退行性疾病治療的潛在目標。然而，只有各mTORC1復合物確切的分子機制和新化合物專門針對這些新發(fā)現的機制后將更進一步擴大在臨床上的應用。

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收稿日期：2017-10-9；修回日期：2017-10-18

編輯/成森