mTORC1信號通路及其與糖尿病的相關(guān)研究進(jìn)展

吳 迪，劉江華

（南華大學(xué)附屬第一醫(yī)院內(nèi)分泌科，湖南 衡陽 421001）

1 mTORC1的簡介

1.1 mTORC1的結(jié)構(gòu)與功能

mTORC1（mechanistic target of rapamycin complex 1）是由哺乳動物雷帕霉素靶蛋白mTOR、mTOR調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白Raptor、哺乳動物L(fēng)ST8同源蛋白mLST8、富脯氨酸AKT底物1-PRAS40和含DEP結(jié)構(gòu)域的mTOR交互蛋白DEPTOR這5種物質(zhì)構(gòu)成的多蛋白復(fù)合物[1]。其主要作用包括促進(jìn)細(xì)胞的生物合成、細(xì)胞生長增殖、營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、抑制細(xì)胞自噬等，同時其活性受到來自雷帕霉素、胰島素、生長因子、某些特定氨基酸及其衍生物、理化因素等一系列因素的嚴(yán)格控制[2]。

1.2 mTORC1信號通路

1.2.1 mTORC1上游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與調(diào)節(jié)

PI3K-Akt通路：胰島素樣生長因子可通過絡(luò)氨酸激酶受體RTK激活PI3K-Akt信號通路，使Akt分別于絲氨酸殘基939、絲氨酸殘基981、蘇氨酸殘基1462磷酸化結(jié)節(jié)硬化復(fù)合物2（Tuberous Sclerosis Complex 2，TSC2）[3]。這些TSC2的磷酸化的位點(diǎn)可以破壞TSC1/TSC2二聚體，使TSC2與TSC1不再相關(guān)聯(lián)，TSC2失去其GTP酶活化蛋白（GTPase activating protein，GAP）的活性，解除其對Rheb-GTP的水解作用。mTORC1必須通過活性小G蛋白Ras同源蛋白（RHeb）激活，從而經(jīng)胰島素信號通路合成蛋白[4]。Akt也可以磷酸化PRAS40，使其從mTORC1中的Raptor上脫落，消除其阻礙Raptor與mTORC1的2個底物4EBP1和S6K結(jié)合的作用，從而達(dá)到激活mTORC1的目的。

MAPK/ERK通路：有絲分裂原，如胰島素樣生長因子IGF-1可以激活MAPK/ERK通路，抑制TSC1/TSC2復(fù)合體，活化mTORC1[5]。當(dāng)生長因子與臨近的絡(luò)氨酸激酶受體RTK結(jié)合時，接頭蛋白GRB2結(jié)合其SH2結(jié)構(gòu)域，從而募集了能夠激活G蛋白RAS的鳥苷酸交換因子Sos。RAS可以激活RAS-RAF-MEK-ERK級聯(lián)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[6]，最終使ERK磷酸化TSC2絲氨酸殘基644，激活核糖體S6激酶RSK使其磷酸化TSC2絲氨酸殘基1798。這些磷酸化反應(yīng)可以導(dǎo)致TSC1/TSC2二聚體的分裂，阻止其去活化Rheb，保持mTORC1活性。有相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，RSK可以磷酸化Raptor，幫助其抵抗PRAS40的抑制作用[7]。

Wnt通路：Wnt通路參與了生物體細(xì)胞生長和增殖的調(diào)控，有研究表明該通路的激活和mTORC1的激活密切相關(guān)，Wnt通路的激活可以抑制糖原激酶GSK3B[8]。當(dāng)Wnt通路失活時，GSK3B可以使TSC2在絲氨酸殘基1341/1337位點(diǎn)磷酸化，同時磷酸化AMPK絲氨酸殘基1345位點(diǎn)，而研究表明AMPK的磷酸化是GSK3B磷酸化TSC2的必要前提條件，因此Wnt通路也參與了mTORC1信號通路的調(diào)控，也正因?yàn)槿绱薽TORC1可以促進(jìn)生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)合成[8]。

細(xì)胞因子：如TNF-α可以通過IKK2誘導(dǎo)mTOR的激活[9]。IKK2可以使TSC1在絲氨酸殘基487/511位點(diǎn)的磷酸化，從而使TSC異二聚體復(fù)合物分裂，保持Rheb-GTP結(jié)合狀態(tài)。

能量代謝：翻譯需要消耗大量的能量，特別是ATP的消耗巨大。如果ATP消耗過多，水解生成大量的AMP，AMP/ATP比例失衡，就會導(dǎo)致AMPK的激活。AMPK，即AMP依賴的蛋白激酶，是生物能量代謝調(diào)節(jié)的關(guān)鍵分子，是研究糖尿病及其他代謝相關(guān)疾病的核心。它表達(dá)于各種代謝相關(guān)的器官中，能被機(jī)體的運(yùn)動、多種激素、細(xì)胞壓力以及影響細(xì)胞代謝物質(zhì)等各種刺激激活。相關(guān)研究表明，AMPK是機(jī)體保持葡萄糖平衡所必需的，其激活能改善由2型糖尿病引起的代謝失衡[10]。AMPK可以磷酸化TSC2絲氨酸殘基1387位點(diǎn)，激活其復(fù)合物的GAP活性，將Rheb-GTP水解為Rheb-GDP。通過該途徑可以使mTORC1失活，阻礙蛋白質(zhì)的合成。AMPK還可以磷酸化Raptor的2個絲氨酸殘基位點(diǎn)。被磷酸化的Raptor可以招募14-3-3蛋白與之結(jié)合，使其可以游離于mTORC1復(fù)合體之外。缺少了Raptor的無法招募底物，就無法通過mTORC1合成蛋白質(zhì)。另外，腫瘤抑制因子絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶STK11也可以激活A(yù)MPK。深入mTORC1在這方面的研究可能有助于闡明其與腫瘤緊密聯(lián)系的機(jī)制[11]。

低氧應(yīng)激：當(dāng)細(xì)胞處于低氧環(huán)境下時，細(xì)胞會通過限制蛋白質(zhì)的合成以減少能量的消耗，低氧誘導(dǎo)因子HIF1α可以穩(wěn)定并激活REDD1的轉(zhuǎn)錄。REDD1蛋白能與TSC2相結(jié)合，阻礙14-3-3蛋白對TSC復(fù)合體的抑制作用，保持其GAP活性，維持Rheb與GDP的結(jié)合形式，從而抑制mTORC1的活性。此外，在低氧環(huán)境下，線粒體ATP合成減少，AMPK活性增加，進(jìn)而抑制mTORC1活性[12]。

1.2.2 mTORC1下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與調(diào)節(jié)

mTORC1主要通過磷酸化下游的真核轉(zhuǎn)錄起始因子4E結(jié)合蛋白1（4E-BP1）和p70 S6 kinase 1（S6K1）[13]，激活mRNA5'端的翻譯起始復(fù)合物，進(jìn)而激活翻譯，調(diào)控細(xì)胞的增殖分化、自噬與調(diào)亡等。

4E-BP1：活性mTORC1可以磷酸化翻譯抑制因子4EBP1，將其從真核轉(zhuǎn)譯起始因子eIF4E中釋放出來，然后eIF4E便與eIF4A和eIF4G相結(jié)合[14]。解旋酶會移除mRNA的5'-UTR區(qū)域的5個莖環(huán)結(jié)構(gòu)以防止蛋白質(zhì)過早的翻譯，隨后翻譯起始復(fù)合物在5'端帽狀結(jié)構(gòu)形成，開始招募小核糖體亞基40S并掃描AUG起始密碼子起始位點(diǎn)[15]。當(dāng)核糖體接觸AUG密碼子翻譯開始。

S6K：去磷酸化的S6K位于eIF3支架復(fù)合體上，活性mTORC1被征募至該支架復(fù)合體上然后磷酸化S6K使其激活[1]。mTORC1至少磷酸化S6K1的2個氨基酸殘基，其中最關(guān)鍵的一個修飾位于蘇氨酸殘基（T389）上[16]。mTORC1磷酸化S6K1又可以刺激PDK1磷酸化S6K1?；钚許6K1可以通過激活S6核糖體蛋白（核糖體的一個組成部分）和eIF4B并使它們被招募形成轉(zhuǎn)錄前起始復(fù)合物PIC[17]。S6K1也可以通過磷酸化mTORC1負(fù)調(diào)控區(qū)域的2個位點(diǎn)參與mTORC1的正反饋調(diào)節(jié)刺激mTORC1的活性。S6K1還可以磷酸化泛素酶β-TrCP（BTRC）降解作用的標(biāo)記物程序性細(xì)胞死亡蛋白4（PDCD4），PDCD4是一個腫瘤抑制因子，它可以通過與eIF4A相結(jié)合避免參與形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物[18]。

圖1 mTORC1信號通路概述

2 mTORC1與糖尿病

2.1 mTORC1與胰島β細(xì)胞

在胰島β細(xì)胞中，mTORC1和mTORC2扮演著各自獨(dú)特的角色，活性mTORC1通過調(diào)節(jié)Cyclin D2的合成與穩(wěn)定性來調(diào)控β細(xì)胞的生長、增殖[19]。有研究報道對雄性肥沙鼠使用雷帕霉素rapamycin的長期治療可以導(dǎo)致增加胰島β細(xì)胞凋亡和漸進(jìn)性高血糖[20]。mTORC1的激活可以促進(jìn)胰島β細(xì)胞分泌胰島素降低血糖。近年來，不斷有研究表明mTORC1在調(diào)控胰島β細(xì)胞功能上存在著兩面性，比如在對TSC2敲除小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，幼年小鼠表現(xiàn)為β細(xì)胞數(shù)量增加，出現(xiàn)低血糖和高胰島素血癥，但在老齡小鼠則表現(xiàn)為β細(xì)胞數(shù)量減少，出現(xiàn)漸進(jìn)性高血糖和低胰島素血癥[21]。S6K可以在不增加胰島β細(xì)胞數(shù)量的前提下，通過增加胰島素分泌，提高糖耐量，這表明mTORC1主要通過S6K通路調(diào)控胰島素分泌[22]。此外，有相關(guān)研究表明β細(xì)胞在2型糖尿病中因氧化應(yīng)激與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激所導(dǎo)致的胰島素合成、分泌異常增多和β細(xì)胞凋亡也與mTORC1相關(guān)[23]。

2.2 mTORC1與糖代謝

mTORC1除了能直接通過影響胰島β細(xì)胞的生長、增殖參與到血糖的調(diào)控中來，還能通過S6K1途徑調(diào)控HIF1α和膽固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白SREBP1和SREBP2參與調(diào)控糖代謝[24]。HIF1α可以促進(jìn)己糖激酶、葡糖糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1、乳酸脫氫酶等基因的表達(dá)，促進(jìn)葡萄糖的吸收與利用。mTORC1對α-酮戊二酸脫氫酶也有抑制其活性的作用[25]。

2.3 mTORC1與自噬

自噬是真核細(xì)胞的主要降解途徑，細(xì)胞必須通過自噬完成從細(xì)胞質(zhì)中移除受損細(xì)胞器、蛋白質(zhì)和小細(xì)胞碎片，回收老化、損傷材料，將它們分解然后合成新的細(xì)胞結(jié)構(gòu)[26]。自噬也可以清除蛋白質(zhì)聚集體和破壞細(xì)胞器，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙。mTORC1在激活后可以磷酸化自噬相關(guān)蛋白Atg13，阻止其與Atg1、Atg17、Atg101形成ULK1復(fù)合物[27]，進(jìn)而阻止細(xì)胞質(zhì)膜上ULK1復(fù)合物參與自噬體前體的形成，抑制自噬[28]。mTORC1抑制自噬的同時刺激蛋白質(zhì)合成及細(xì)胞生長可能導(dǎo)致受損蛋白質(zhì)和細(xì)胞器的積累，進(jìn)而造成細(xì)胞水平的損害[29]。正常自噬過程中出現(xiàn)的問題與糖尿病、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥有關(guān)。

有不少研究表明，胰島β細(xì)胞自噬基因Atg7的缺失，能導(dǎo)致自噬作用減弱，血清胰島素水平下降，糖耐量減低[30]。糖尿病模型誘導(dǎo)藥物鏈脲佐菌素STZ能在作用早期增加自噬相關(guān)蛋白LC3-VMP1和Beclin-1-VMP1的表達(dá)，說明自噬對藥物實(shí)驗(yàn)早期胰島β細(xì)胞具有保護(hù)作用[31]。但是，不同程度的自噬，對胰島β細(xì)胞產(chǎn)生的影響也不盡相同，如2型糖尿病患者中自噬體和自噬泡的累積能引起胰島β細(xì)胞的死亡增加[32]。盡管自噬對胰島β細(xì)胞作用并不十分明確，但可以肯定的是mTORC1—自噬—胰島β細(xì)胞3者之間聯(lián)系密切。

2.4 mTORC1與細(xì)胞免疫及T1DM

雷帕霉素在臨床上常作為免疫抑制劑用于抑制T細(xì)胞和B細(xì)胞的增殖，但是其對mTORC1的抑制作用常常導(dǎo)致生成更多功能更強(qiáng)的記憶T細(xì)胞。雷帕霉素對mTORC1的抑制作用不僅能提高T細(xì)胞增殖期初始T細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)橛洃汿細(xì)胞前體的能力[33]，還可以促進(jìn)記憶T細(xì)胞在收縮期分化為成熟的T細(xì)胞[34]。有趣的是，雷帕霉素對mTORC1的抑制可以增加老齡小鼠B細(xì)胞數(shù)量，增強(qiáng)免疫力[35]。雷帕霉素抑制免疫系統(tǒng)的矛盾現(xiàn)象與多個因素有關(guān)，其中包括了與調(diào)節(jié)性T細(xì)胞Treg的相互作用[34]。在過去，mTOR一直被認(rèn)為是免疫細(xì)胞的一個抑制因子，但隨后不斷有研究表明mTORC1可以促進(jìn)Treg的生成，增強(qiáng)T細(xì)胞抑制免疫的作用，并且mTORC1參與調(diào)控的膽固醇和脂質(zhì)代謝和Treg產(chǎn)生的免疫抑制分子CTLA4和ICOS也存在著一定聯(lián)系[36]。

目前認(rèn)為，1型糖尿病是一種以抗原呈遞細(xì)胞APC和T細(xì)胞為介導(dǎo)的自身免疫性疾病，其發(fā)病有賴于T細(xì)胞（CD4+和CD8+）所表達(dá)的抗β細(xì)胞抗原反應(yīng)，CD8+T細(xì)胞是啟動自身免疫反應(yīng)的必備條件，而活化的CD4+T細(xì)胞則是引起T1DM的必備條件，促炎細(xì)胞因子是β細(xì)胞的中介因子。已有研究表明，敲除Rheb基因或以雷帕霉素抑制CD4+T細(xì)胞的mTORC1活性，可以抑制Th1、Th17細(xì)胞分化，促進(jìn)Th2細(xì)胞分化[37]。因此可以推斷mTORC1與1型糖尿病之間存在著某種聯(lián)系。

3 結(jié) 語

mTORC1活性受細(xì)胞內(nèi)多種信號調(diào)控，其中細(xì)胞因子、能量代謝、細(xì)胞環(huán)境等信號主要經(jīng)由TSC1/TSC2-Rheb途徑傳遞。氨基酸等營養(yǎng)分子類信號激活mTORC1的機(jī)制尚不十分清楚，但普遍被認(rèn)為是通過一條不同的獨(dú)立途徑，有眾多蛋白質(zhì)復(fù)合物參與該通路的調(diào)控。本文未就營養(yǎng)分子如氨基酸介導(dǎo)的mTORC1信號通路的在溶酶體上激活機(jī)制作闡述，但該通路已有眾多突破性研究進(jìn)展，如該信號通路的核心骨架Ragulator五元復(fù)合物調(diào)控RHeb，mTORC1在溶酶體上的定位、組裝并招募下游蛋白的作用機(jī)制[38]；KICSTOR復(fù)合體中四個蛋白分子在GATOR1定位于溶酶體和mTORC1信號激活調(diào)控中的作用等[39]。

盡管在過去的十余年中，mTORC1信號通路在調(diào)控細(xì)胞生長、增殖、凋亡、介導(dǎo)免疫等各方面機(jī)制有了較為深入的了解，與糖代謝脂質(zhì)代謝等代謝性疾病的聯(lián)系也十分明確，進(jìn)一步研究明確其調(diào)控機(jī)制可以為糖尿病及其他相關(guān)疾病的治療提供潛在的新思路和方法。

[1]Wullschleger S,Loewith R, Hall MN. TOR signaling in growth and metabolism[J].Cell. 2006 Feb 10;124(3):471-84.

[2]Bond P.Regulation of mTORC1 by growth factors, energy status,amino acids and mechanical stimuli at a glance[J].J Int Soc Sports Nutr.,2016,13:8.

[3]Ma XM,Blenis J. Molecular mechanisms of mTOR-mediated translational control[J].Nat Rev Mol Cell Biol.2009,10(5):307-18.

[4]Mendoza MC1,Er EE,BlenisJ."The Ras-ERK and PI3K-mTOR pathways: cross-talk and compensation[J].Trends Biochem Sci.2011,36(6):320-8.

[5]Mendoza MC, Er EE,Blenis J.The Ras-ERK and PI3K-mTOR pathways: cross-talk and compensation[J].Trends Biochem Sci,2011,36(6):320-8.

[6]McCubrey JA,Steelman LS,Chappell WH,et al.Ras/Raf/MEK/ERK and PI3K/PTEN/Akt/mTOR cascade inhibitors: how mutations can result in therapy resistance and how to overcome resistance[J].Oncotarget,2012,3(10):1068-111.

[7]Carrière A,Cargnello M,Julien LA,et al.MAPK signaling stimulates mTORC1 activity by promoting RSK-mediated raptor phosphorylation[J].Curr Biol,2008,18(17):1269-77.

[8]Majid S,Saini S,Dahiya R.Wnt signaling pathways in urological cancers: past decades and still growing[J].Mol Cancer,2012,10;11:7.

[9]Salminen A,Hyttinen JM,Kauppinen A, el at.Context-Dependent Regulation of Autophagy by IKK-NF-κB Signaling: Impact on the Aging Process[J].Int J Cell Biol,2012.

[10]Zhang BB,Zhou G,Li C.AMPK:an emerging drug target for diabetes and the metabolic syndrome[J].Cell Metab,2009,9(5):407-16.

[11]Nagalingam A,Arbiser JL,Bonner MY, et al. Honokiol activates AMP-activated protein kinase in breast cancer cells via an LKB1-dependent pathway and inhibits breast carcinogenesis[J].Breast Cancer Res,2012,21;14(1):R35.

[12]Wang S,Song P,Zou MH.AMP-activated protein kinase,stress responses and cardiovascular diseases[J].Clin Sci(Lond),2012,122(12):555-73.

[13]Hay N,Sonenberg N.Upstream and downstream of mTOR[J].Genes Dev,2004,18(16):1926-45.

[14]Wang H,Zhang Q, Wen Q,et al.Proline-rich Akt substrate of 40kDa(PRAS40):a novel downstream target of PI3k/Akt signaling pathway[J].Cell Signal,201224(1):17-24.

[15]Lee T,Pelletier J. Eukaryotic initiation factor 4F: a vulnerability of tumor cells[J].Future Med Chem,2012,4(1):19-31.

[16]Saitoh M, Pullen N, Brennan P,et al.Regulation of an activated S6 kinase 1 variant reveals a novel mammalian target of rapamycin phosphorylation site[J].J Biol Chem.2002,277(22):20104-12.

[17]Peterson RT, Schreiber SL,Translation control: connecting mitogens and the ribosome[J].Curr Biol,1998,8(7):R248-50.

[18]Schmid T, Jansen AP,Baker AR, et al.Translation inhibitor Pdcd4 is targeted for degradation during tumor promotion[J].Cancer Res.2008,68(5):1254-60.

[19]Balcazar N,Sathyamurthy A,Elghazi L, et al. mTORC1 activation regulates beta-cell mass and proliferation by modulation of cyclin D2 synthesis and stability[J].J Biol Chem,2005,280(27):25485-90.

[20]M Fraenkel, M Ketzinel-Gilad,Y Ariav,et al.mTOR inhibition by rapamycin prevents beta-cell adaptation to hyperglycemia and exacerbates the metabolic state in type 2 diabetes[J].Diabetes,2008,57(4):945-957.

[21]Ardestani A,Lupse B, Kido Y,et al.mTORC1Signaling:A Double-Edged Sword in Diabetic β Cells[J].Cell Metab,2018,27(2):314-331.

[22]Rachdi L, Balcazar N,Osorio-Duque F,et al.Disruption of Tsc2 in pancreatic beta cells induces beta cell mass expansion and improved glucose tolerance in a TORC1-dependent manner[J].Proc Natl Acad Sci U S A. 2008,105(27):9250-5.

[23]Wang J1, Yang X1,Zhang J.Bridges between mitochondrial oxidative stress,ER stress and mTOR signaling in pancreatic β cells[J].Cell Signal,2016,28(8):1099-104.

[24]Düvel K,Yecies JL,Menon S,et al. Activation of a metabolic gene regulatory network downstream of mTOR complex 1[J].Mol Cell,2010,30;39(2):171-83.

[25]Shimodahira M1,Fujimoto S,Mukai E,et al.Rapamycin impairs metabolism-secretion coupling in rat pancreatic islets by suppressing carbohydrate metabolism[J].J Endocrinol.2010,204(1):37-46.

[26]Choi AM,Ryter SW,Levine B. Autophagy in human health and disease[J].N Engl J Med. 2013,368(19):1845.

[27]Alers S,L?ffler AS,Wesselborg S,et al. Role of AMPK-mTORUlk1/2 in the regulation of autophagy:cross talk,shortcuts, and feedbacks[J].Mol Cell Biol,2012,32(1):2-11.

[28]Pyo JO, Nah J,Jung YK. Molecules and their functions in autophagy[J].Exp Mol Med,2012,44(2):73-80.

[29]Proud CG.Amino acids and mTOR signalling in anabolic function[J].Biochem Soc Trans,2007,35(Pt 5):1187-90.

[30]Fujitani Y,Kawamori R, Watada H.The role of autophagy in pancreatic beta-cell and diabetes[J].Autophagy,2009,5(2):280-2.

[31]Grasso D.Sacchetti ML,Bruno L,et al.Autophagy and VMP1 expression are early cellular ev ents in experimental diabetes[J].Pancreatology,2009,9(1):81-88.

[32]Masini M,Bugliani M,Lupi R,et al.Autophagy in human type 2 diabetes pancreatic beta cells[J].Diabetolog ia,2009,52(6):1083-1086.

[33]Araki K, Turner AP, Shaffer VO,et al.mTOR regulates memory CD8 T-cell diあerentiation[J].Nature,2009,460(7251):108-12.

[34]Araki K,Youngblood B,Ahmed R.The role of mTOR in memory CD8 T-cell diあerentiation[J].Immunol Rev.2010,235(1):234-43.

[35]Chen C,Liu Y, Liu Y, Zheng P . mTOR regulation and therapeutic rejuvenation of aging hematopoietic stem cells[J].Sci Signal,2009,2(98):ra75.

[36]Zeng H1,Yang K, Cloer C, et al.mTORC1 couples immune signals and metabolic programming to establish T(reg)-cell function[J].Nature.2013,499(7459):485-90.

[37]Delgoffe GM1, Pollizzi KN,Waickman AT, et al. The kinase mTOR regulates the diあerentiation of helper T cells through the selective activation of signaling by mTORC1 and mTORC2[J].Nat Immunol,2011,12(4):295-303.

[38]Zhang T, Wang R,Wang Z,et al.Structural basis for Ragulator functioning as a scaあold in membrane-anchoring of Rag GTPases and mTORC1[J].Nat Commun. 2017,8(1):1394.

[39]Wolfson RL, Chantranupong L,Wyant GA, et al. KICSTOR recruits GATOR1 to the lysosome and is necessary for nutrients to regulate mTORC1[J].Nature.2017,543(7645):438-442.