mTOR Complex1-S6K1信號通路在2型糖尿病發(fā)生發(fā)展中的作用

張 穎 綜述，郝 進 審校

(重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院皮膚科 400002)

隨著人們生活水平的提高，全身代謝性疾病逐漸成為影響人類生活質量的主要疾病之一。在近年的調查研究中發(fā)現(xiàn)，糖尿病的發(fā)生率較過去20年間呈數(shù)倍增加，尤其糖尿病并發(fā)癥引起的死亡率較前大大提升。所以深入研究糖尿病的發(fā)生、發(fā)展機制成為目前治療糖尿病的關鍵。mTOR信號通路是雷帕霉素的靶分子，是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在感受營養(yǎng)信號、調節(jié)細胞生長和增殖中起關鍵性的作用。mTOR Complex1-S6K1信號通路可受如生長因子、激素、能量信號等多種因素的調節(jié)，在糖尿病的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用。本文將詳細闡述mTOR Complex1-S6K1信號通路在糖尿病的發(fā)生發(fā)展中的作用機制。

1 mTOR Complex1-S6K1信號通路

1.1mTOR 的功能、結構及組成 mTOR是在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的一個高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，由2 549個氨基酸組成，相對分子質量為290×103,屬于PIKK超家族成員之一，其作用與細胞調節(jié)，增生調控和癌細胞新陳代謝有關。PIKK家族成員羧基末端有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶區(qū)域，類似于磷脂酰肌醇3激酶和磷脂酰肌醇4激酶的催化域。在氨基末端存在有20多個HEAT串聯(lián)重復序列。每一個HEAT基序都有大約40個氨基酸組成，形成一個反向平行的α環(huán)。在多蛋白復合物中，HEAT可以介導蛋白質之間的相互作用。氨基端一側FRB區(qū)域相對分子質量為11×103，是FKBP12-雷帕霉素與mTOR結合區(qū)域，此位點可以抑制雷帕霉素和mTOR之間的相互作用。雷帕霉素與FKBP12結合后可以中斷蛋白質之間的相互作用從而抑制mTOR的功能[1]。 氨基端一側的FAT區(qū)域，大約有500個氨基酸。FAT區(qū)域僅在PIKK家族存在的情況下出現(xiàn)，但其機制仍然不清楚。目前推測，此區(qū)域功能可能類似于HEAT串聯(lián)重復序列充當支架或蛋白質之間相互作用的區(qū)域。羧基末端包含一個大約35個氨基酸的短序列稱為FATC區(qū)域。FATC區(qū)域僅僅在與FAT區(qū)域相互作用的時候存在，可能對PIK相關激酶的催化活性有重要作用[2]。在哺乳動物中，mTOR以兩種復合物的形式存在。

mTOR Complex1包含mTOR、Raptor、PRAS40、GβL,可以被雷帕霉素阻斷，細胞內的生長因子、營養(yǎng)物質、能量等因素可以通過調節(jié)下游靶蛋白(如S6K1、4E-BP1等)的活性，影響蛋白質翻譯、mRNA生成、核糖體形成等代謝過程[3-5]。mTOR Complex2包含mTOR、Rictor、mSin1和mLST8,對雷帕霉素不敏感，但可以磷酸化蛋白激酶B(PKB/Akt)，兩種復合物都受到有絲分裂原的刺激，但僅有 mTOR Complex1 受到營養(yǎng)物質和能量攝入的控制[4-6]。

1.2S6K1的功能及組成 S6K1是mTOR信號通路下游的效應蛋白之一，是一個屬于AGC激酶家族的Ser/Thr激酶。它參與調節(jié)細胞生長、分化增殖以及蛋白質合成等過程。S6K1的激活可以通過磷酸化S6核糖體蛋白促進細胞增殖及蛋白質合成[7]。

S6K1包括兩個亞型，分別是S6K1L和S6K1S，前者主要存在于細胞核中，后者主要存在于細胞質中，在細胞中兩者的調控方式相似。S6K1的活性主要取決于其殘基的功能，其殘基主要包括T229、T389、S371。相關研究表明殘基T389是雷帕霉素最敏感的結合位點，并可直接調控T389的磷酸化，同樣也可以通過3′磷酸肌醇依賴的激酶(PDK1)介導T229的磷酸化[6]。

1.3mTOR Complex1-S6K1信號通路活化的調控機制 mTOR Complex1-S6K1信號通路受多種因素的調控，氨基酸、葡萄糖等信號通過Class Ⅲ PI3K通路激活mTORC1，胰島素及生長因子等則通過ClassⅠPI3K/PKB通路激活mTORC1。mTORC1通路激活使其下游分子4E-BP1、S6增加，從而促進細胞生長及代謝[8-9]。

2 mTOR Complex1-S6K1信號通路對糖尿病發(fā)生、發(fā)展的影響及機制

糖尿病是一組以慢性血葡萄糖水平增高為特征的代謝性疾病，是由于胰島素分泌和(或)作用缺陷所引起。2型糖尿病的發(fā)病原因非常復雜，除遺傳因素外，主要為營養(yǎng)過剩、能量積聚過多而引起的肥胖。在糖尿病發(fā)生發(fā)展過程中所出現(xiàn)的高血糖和脂代謝紊亂可進一步降低胰島素敏感性并且損傷胰島B細胞功能。上述所說的糖尿病發(fā)病特征均可活化mTOR信號通路。

2.1營養(yǎng)物質對mTOR Complex1-S6K1信號通路的激活作用 胰島素誘導經(jīng)典I PI3K-PKB信號通路同樣可以被其他生長因子激活，比如表皮生長因子(EGF)、胰島素樣生長因子(IGF)和血小板衍生生長因子(PDGF)[10]。上述路徑一旦被激活，PKB/Akt能夠介導許多特殊底物的磷酸化，除了caspase 9和細胞死亡拮抗劑BCL-2(BAD)，最終達到促存活反應[11]。雖然mTOR Complex1的激活與這些反應有關，但是在缺乏營養(yǎng)物質或者細胞能量的時候mTOR Complex1的激酶活性是不會被PI3K觸發(fā)的。目前有研究分析營養(yǎng)素的作用，尤其是氨基酸，揭示了存在一個新的信號級聯(lián)反應激活mTOR Complex1[12-13]。氨基酸與mTOR Complex1有關的想法首先在培養(yǎng)肝細胞的研究中發(fā)現(xiàn)的，氨基酸可以抑制大分子自發(fā)吞噬作用的進行。在這項研究中，表明這種對大分子自發(fā)吞噬作用的抑制影響與增加40S核糖體亞基蛋白S6的磷酸化是相一致的。隨后許多研究都表明氨基酸能夠誘導S6K1和4E-BP1的磷酸化，尤其是依賴mTOR Complex1的支鏈氨基酸亮氨酸[14]。后來在許多胰島素敏感細胞中的實驗表明氨基酸的缺乏使得S6K1和4E-BP1快速的去磷酸化，然而在雷帕霉素敏感的細胞中氨基酸的添加可以逆轉這種反應[15]。與最初的發(fā)現(xiàn)相反的是，目前的研究表明氨基酸信號轉導為mTOR Complex1并不需要TSC1-TSC2復合物[16]。的確，這些研究表明在TSC1或者TSC2水平減弱或者完全消失的細胞中S6K1的磷酸化完全可以耐受胰島素。相反，S6K1的活性仍然被氨基酸調控在TSC1-TSC2復合物缺失抑制信號。而且，雖然氨基酸誘導mTOR Complex1信號需要Rheb，但是從TSC1或者TSC2不足的細胞中去掉氨基酸對Rheb-GTP水平?jīng)]有影響；然而這種處理使S6K1快速去磷酸化[12]。因而，內源性的Rheb-GTP對于這一反應是必需的，但是對于氨基酸缺乏的情況下激活mTOR Complex1是不足的。這些結果表明氨基酸的輸入對于mTOR Complex1可能存在一種相似的信號通路。90年代后期的研究表明氨基酸激活mTOR Complex1到S6K1和4E-BP1是woman青霉素敏感的，雖然氨基酸不能誘導PKB/Akt的激活。的確，小干擾RNA介導class I PI3K的缺失幾乎完全阻止胰島素誘導的PKB/Akt S473和S6K1 T389的磷酸化，但是對氨基酸誘導S6K1的激活沒有影響。因而，woman青霉素敏感靶向的氨基酸誘導的mTOR Complex1信號可能存在一種不同于class I PI3K-PKB/Akt信號路徑的通路。許多藥理學、生物化學及分子方法證明class Ⅲ PI3K hVps34的活性受氨基酸有效性的調控，且通過mTOR Complex1信號通路被氨基酸刺激活化S6K1需要hVps34[12-13]。

2.2能量對mTOR Complex1-S6K1信號通路的激活作用 通過細胞能量來調控mTOR Complex1信號的機制與生長因子和營養(yǎng)素是不同的。大量的研究依賴于急性或者慢性的能量缺乏對mTOR Complex1信號通路的作用。研究表明mTOR Complex1-S6K1信號通路對細胞內的ATP水平的微量改變是敏感的，并不依賴于氨基酸水平的改變。有研究表明用線粒體復合物1抑制劑魚藤酮急性處理結果使細胞內的ATP水平微弱的減少并且活化胰島素誘導的S6K1。與ATP的穩(wěn)態(tài)水平直接調控mTOR信號的能力相一致，ATP對mTOR的Km值與細胞內的ATP濃聚物是相似的。然而，隨后的研究表明用氧化磷酸化呼吸抑制劑寡霉素處理急性能量缺失，從而抑制mTOR Complex1信號介導的AMP激酶(AMPK)磷酸化和TSC2活化。與這一發(fā)現(xiàn)相一致的是，AMPK變種激活后能夠抑制mTOR信號通路。然而，Smith[16]目前的報道用能量耗竭劑2-脫氧葡萄糖急性處理TSC2缺失細胞，導致S6K1失活。dTSC2是TSC2的果蠅屬同系物，能夠在能量缺失的果蠅屬KC167細胞中活化，但位點浮動較大。因此，急性能量缺失很有可能與一個不依賴AMPK路徑的低氧誘導基因(REDD1)有關。REDD1受慢性能量缺失誘導，依次使mTOR Complex1-S6K1信號通路受到抑制，支持這一觀點的是REDD1的缺失不會改變AMPK的活性或者它磷酸化TSC2的能力。然而，它可以去除慢性能量缺失對mTOR Complex1-S6K1信號通路的抑制作用[17]。有趣的是，目前研究糖皮質激素類對mTOR Complex1信號到REDD1的誘導有負性影響。REDD1介導的能量缺失對mTOR Complex1-S6K1信號通路機制是尚不清楚的，但TSC2在該通路中有一定的調控作用[17]?？傊@些數(shù)據(jù)表明能量水平影響mTOR Complex1信號是一個復雜過程還需要進一步研究。

2.3生長因子及激素對mTOR Complex1-S6K1信號通路的作用 生長因子和激素類，比如胰島素，通過PI3K信號途徑來調控mTOR Complex1[6]。PI3K經(jīng)典路徑的激活，從而啟動許多信號通路的級聯(lián)反應，引起細胞的生長和增殖，這種現(xiàn)象在多細胞動物中是普遍存在的[8]。胰島素與它同源的酪氨酸激酶受體相互作用結果使分子間的受體磷酸化，為IRS1和IRS2募集到細胞膜上形成了一個停泊位點[6]。相應的，IRS1/IRS2中特殊的磷酸化殘基充當著細胞膜上PI3K關鍵信號分子的識別基序——第二信使磷脂酰肌醇[PtdIns(3,4,5)P3][6]。PtdIns(3,4,5)P3與PH區(qū)域的靶蛋白結合，包括PKB/Akt和磷酸肌醇依賴激酶1(PDK1)。PtdIns(3,4,5)P3與PH區(qū)域的PKB/Akt結合可以補充細胞膜上的這種激酶，但PtdIns(3,4,5)P3與PH區(qū)域的PDK1結合似乎不需要S6K1 T299的磷酸化。細胞膜上PtdIns(3,4,5)P3的活化是通過PDK1 T308和mTORComplex2 S473位點的磷酸化進行調控[9]。信號通路中的反饋調節(jié)主要因子為脂磷酸酶，磷酸酶和張力蛋白同系物(PTEN)。PTEN使PtdIns(3,4,5)P3轉變?yōu)镻tdIns(4,5)P2， PKB/Akt在細胞膜上的數(shù)量減少。激活PKB/Akt的下游底物又包括糖原合酶激酶3(GSK3)、叉頭盒、轉錄因子和TSC2。TSC2又是一種腫瘤抑制基因。TSC2的作用在于自身磷酸化使TSC1-TSC2復合物的分離和降解，從抑制的GTP酶活化蛋白，TSC2活性中釋放出小GTP酶Rheb，推動Rheb到GTP得活化狀態(tài)。GTP結合Rheb能夠激活mTOR Complex1信號通路的下游底物，比如S6K1，通過直接改變mTOR Complex1活性或者靶向惟一的細胞間隙[6]。

2.4mTOR Complex1-S6K1信號通路與糖尿病胰島素抵抗 胰島素抵抗是2型糖尿病發(fā)生、發(fā)展的關鍵，表現(xiàn)為胰島素功能下降和高胰島素血癥。胰島β細胞分泌的胰島素是維持體內糖穩(wěn)定的重要物質之一，胰島素分泌相對或者絕對不足在糖尿病發(fā)生發(fā)展及糖尿病并發(fā)癥的進展中起關鍵性作用。

目前認為胰島素信號傳導通路及胰島素抵抗的機制主要是通過PI3K-Akt-TSC1/2-mTORC1-S6K1途徑來完成的。胰島素受體(insulin receptor，IR)/胰島素樣生長因子受體(insulin-like growth factor，IGFR)為酪氨酸激酶受體，分別與Insulin或IGF結合后引起胞內酪氨酸殘基磷酸化。IR或IGFR酪氨酸殘基磷酸化后與胰島素受體底物(insulin receptor substrates，IRSI-4)上的磷酸化酪氨酸結合區(qū)(phosphotyrosine binding domain，PTB)結合，IRs蛋白N端由P H(pleckstrin homology)區(qū)和PTB區(qū)構成，C端含多個酪氨酸和絲氨酸/蘇氨酸(serine/threonine，Ser/ Thr)磷酸化位點。IRS通過其磷酸化酪氨酸共同基序(YxxM) 趨化結合并激活磷酯酰肌醇3激酶(PI3K),從而通過PI3K．Akt-TSC1/2-mTOR信號通路激活mTOR下游信號分子S6K1和4E-BP1，再通過促進細胞內某些重要蛋白質的合成調節(jié)細胞的生長分化。

有研究表明，胰島素受體底物1(IRS1)的絲氨酸磷酸化是引起胰島素抵抗的主要機制之一。mTOR在接受Insulin/IGF和營養(yǎng)信號(如氨基酸、葡萄糖)后通過PI3K-Akt-TSC1/2-mTOR信號通路被激活，激活的mTOR在通過其下游底物S6K1引起IRS1絲氨酸殘基磷酸化，反饋性調節(jié)胰島素信號下傳。體外研究發(fā)現(xiàn)，氨基酸可通過激活mTOR/S6K途徑反饋性抑制胰島素誘導的PI3K活化，并且證實這種抑制作用與IRS1ser/thr磷酸化有關[18]。有研究發(fā)現(xiàn)在KKAy、ob/ob2型糖尿病小鼠模型中S6K1的活性都是增高的，脂肪組織中IRS1 ser307和ser636/639磷酸化增加，并且在敲除S6K1基因的高脂飼養(yǎng)小鼠中仍然保持胰島素的敏感性，而IRS1 ser307和ser636/639下降。

2.5mTOR Complex1-S6K1信號通路與糖尿病引起的微血管病變的作用 糖尿病的血管病變從毛細血管到大中動脈均有不同程度的病變。毛細血管和細小動脈的內皮細胞增生，基底膜明顯增厚，血管壁增厚、玻璃樣變性，血栓形成導致血液供應障礙，進而引起相應組織或器官缺血和功能障礙，在腎臟和視網(wǎng)膜中表現(xiàn)尤為突出。

相關研究表明mTOR信號通路在糖尿病腎病發(fā)生發(fā)展的機制中起著重要作用，大量動物實驗已經(jīng)證明，雷帕霉素通過抑制mTOR信號通路使慢性腎臟疾病引起的間質性炎癥，腎臟纖維化及腎功能不全得以改善。在糖尿病腎病中病理改變主要表現(xiàn)為腎血管及腎小球廣泛增生、腎小球肥大引起腎臟灌注不足，而在其病理生理改變中mTOR信號通路起著關鍵性作用，主要表現(xiàn)為增加了腎小球基底膜的蛋白合成進而引起基底膜變薄和腎小球內膜基質的增生。而高血糖作為影響因素通過引起PI3K、Akt的活化及AMPK的抑制來激活mTOR信號通路[19]。

糖尿病視網(wǎng)膜病變的主要病理變化是血管平滑肌細胞的分化異常，早期表現(xiàn)為微小動脈瘤和視網(wǎng)膜小靜脈擴張。血管平滑肌細胞在成人體內主要有分化、休眠、收縮3種形態(tài)，損傷可以誘導這3種形態(tài)的相互轉化，也可以使血管平滑肌細胞基質的蛋白合成水平上調。mTOR信號通路在血管平滑肌細胞基因表達的轉錄調控中起重要作用，其下游效應器S6K1的過度表達則抑制雷帕霉素誘導的蛋白收縮和p21cip表達。相關動物實驗及研究也證明了S6K1對抗血管平滑肌細胞的分化起著重要作用。

3 展 望

mTOR Complex1-S6K1在細胞增殖、生長、分化以及糖尿病的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮著關鍵性的作用，在研究中發(fā)現(xiàn)還有很多對該信號通道的影響因素的作用機制尚不明確，比如細胞膜的電活動及蛋白通路對mTOR Complex1-S6K1的影響，以及VEGF在糖尿病創(chuàng)傷模型中與mTOR的作用機制等。學者還應對mTOR Complex1-S6K1進行深入的研究，讓臨床工作者全面了解mTOR Complex1-S6K1的機制，為糖尿病的預防、治療以及并發(fā)癥的研究和治療提供理論依據(jù)，為今后的臨床治療提供新的手段。

[1]Charles AH,Klann E.mTOR signaling:at the crossroads of plasticity,memory and disease[J].Trends Neurosci,2010,33(2):67-75.

[2]Tsang CK,Qi H,Liu LF,et al.Targeting mammalian target of rapamycin(mTOR) for health and diseases[J].Drug Discov Today,2007,12(3/4):112-124.

[3]Vander Haar E,Lee SI,Bandhakavi S,et al.Insulin signalling to mTOR mediated by the Akt/PKB substrate PRAS40[J].Nat Cell Biol,2007,9(3):316-323.

[4]劉效磊，牛燕媚，傅力．mTOR/S6K1信號通路研究進展[J].中國運動醫(yī)學雜志，2010，29(1):118-121．

[5]Tremblay F,Brlé S,Hee Um S,et al.Identification of IRS-1 Ser-1101 as a target of S6K1 in nutrient- and obesity-induced insulin resistance[J].Proc Natl Acad Sci USA,2007,104(35):14056-14061.

[6]Um SH,D′alessio D,Thomas G.Nutrient overload,insulin resistance,and ribosomal protein S6 kinase 1,S6K1[J].Cell Metab,2006,3(6):393-402.

[7]Kahn BB,Myers MG Jr.mTOR tells the brain that the body is hungry[J].Nat Med,2006,12(6):615-617.

[8]Engelman JA,Luo J,Cantley LC.The evolution of phosphatidylinositol 3-kinases as regulators of growth and metabolism[J].Nat Rev Genet,2006,7(8):606-619.

[9]Stephan W,Loewith R,Michael NH.TOR signaling in growth and metabolism[J].Cell,2006,124(3):471-484.

[10]Gavi S,Shumay E,Wang HY,et al.G-protein-coupled receptors and tyrosine kinases:crossroads in cell signaling and regulation[J].Trends Endocrinol Metab,2006,17(2):48-54.

[11]Plas DR,Thompson CB.Akt-dependent transformation:there is more to growth than just surviving[J].Oncogene,2005,24(50):7435-7442.

[12]Nobukuni T,Joaquin M,Roccio M,et al.Amino acids mediate mTOR/raptor signaling through activation of class 3 phosphatidylinositol 3OH-kinase[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2005,102(40):14238-14243.

[13]Byfield MP,Murray JT,Backer JM.hVps34 is a nutrient-regulated lipid kinase required for activation of p70 S6 kinase[J].J Biol Chem,2005,280(38):33076-33082.

[14]Dann SG,Thomas G.The amino acid sensitive TOR pathway from yeast to mammals[J].FEBS Lett,2006,580(12):2821-2829.

[15]Kimball SR,Jefferson LS.Signaling pathways and molecular mechanisms through which branched-chain amino acids mediate translational control of protein synthesis[J].J Nutr,2006,136(1 Suppl):S227-231.

[16]Smith EM.The tuberous sclerosis protein TSC2 is not required for the regulation of the mammalian target of rapamycin by amino acids and certain cellular stresses[J].The J Biol Chem,2005,280(19):18717-18727.

[17]Sofer A,Lei K,Johannessen CM,et al.Regulation of mTOR and cell growth in response to energy stress by REDD1[J].Mol Cell Biol,2005,25(14):5834-5845.

[18]Drummond MJ,Bell JA,Fujita S,et al.Amino acids are necessary for the insulin-induced activation of mTOR/S6K1 signaling and protein synthesis in healthy and insulin resistant human skeletal muscle[J].Clin Nutr,2008,27(3):447-456.

[19]Lieberthal L,Levine JS.The role of the mammalian target of rapamycin(mTOR)in renal disease[J].JASN,2009,20(12):2493-2502.