韓校 傅力
天津醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)系(天津300070)
哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是一組高度保守的絲氨酸/蘇氨酸(Ser/Thr)激酶,且為機(jī)體重要的能量感受器,參與機(jī)體細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝、存活以及自噬等重要生理過(guò)程[1]。此外,研究發(fā)現(xiàn)餐后胰島素水平升高時(shí),mTOR 也與肝臟、脂肪以及骨骼肌組織的代謝變化密切相關(guān)[2-5]。因此,mTOR信號(hào)傳導(dǎo)途徑失調(diào)可能會(huì)促進(jìn)癌癥、糖尿病發(fā)生發(fā)展以及衰老過(guò)程。本文主要針對(duì)mTOR結(jié)構(gòu)、在代謝過(guò)程中的重要作用及其信號(hào)傳導(dǎo)途徑進(jìn)行探討。
在哺乳動(dòng)物中,mTOR存在哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mammalian target of rapamycin complex 1,mTORC1)和哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物2(mammalian target of rapamycin complex 2,mTORC2)兩種不同功能的復(fù)合物形式(見(jiàn)圖1)[4]。Raptor是mTORC1的主要組成成分,在mTORC1亞細(xì)胞定位過(guò)程中發(fā)揮重要作用[6-8]。mTORC2的特殊組成成分 包 括Rictor[9]和mSin1[10]。mLST8 是mTORC1 和mTORC2 的共同組成成分,可促進(jìn)兩種復(fù)合物發(fā)揮作用。DEPTOR 也參與mTORC1 和mTORC2 的組成,但對(duì)其發(fā)揮抑制作用[11]。另一個(gè)與mTORC 相關(guān)的蛋白是PRAS40,可能參與生長(zhǎng)因子和蛋白激酶B(protein kinase B,AKT/PKB)傳導(dǎo)到mTORC1 和mTORC2 信號(hào)過(guò)程[11]。胰島素(insulin)和胰島素樣生長(zhǎng)因子(in?sulin like growth factor,IGF)等均可激活mTORC1和mTORC2,但mTORC2 激活的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制有別于mTORC1 途徑[12]。磷脂酰肌醇-3 激酶(phosphoinosit?ide 3-kinase,PI3K)/Insulin 信號(hào)途徑可促進(jìn)mTORC2與核糖體結(jié)合,進(jìn)而增加mTORC2 活性[13]。核糖體可作為磷酸化mTORC2 與底物發(fā)生作用的支架,也可給予mTORC2 適當(dāng)定位,但激活mTORC2 具體機(jī)制仍有待闡明[14]。
在生理功能方面,越來(lái)越多的研究表明mTORC1在細(xì)胞生長(zhǎng)以及營(yíng)養(yǎng)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)揮重要作用[11]。相比之下,mTORC2 對(duì)于營(yíng)養(yǎng)不敏感,但可調(diào)節(jié)AGC 激酶家族成員,如AKT、蛋白激酶C(protein ki?nase C,PKC)以及血清和糖皮質(zhì)激素調(diào)節(jié)激酶1(serum and glucocorticoid inducible kinase 1,SGK1),促進(jìn)脂質(zhì)生成、葡萄糖攝取、糖酵解以及細(xì)胞存活,從而參與機(jī)體糖、脂代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)[11]。因此,mTORC2 信號(hào)傳導(dǎo)在防治胰島素抵抗和2 型糖尿病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
圖1 mTOR 復(fù)合物組成示意圖
越來(lái)越多的證據(jù)表明mTORC2在機(jī)體組織代謝中發(fā)揮重要作用。在禁食狀態(tài)下,肝臟可通過(guò)分解肝糖原和糖異生作用產(chǎn)生葡萄糖以維持血糖水平。在餐后狀態(tài)下,肝臟停止產(chǎn)生葡萄糖,攝取循環(huán)系統(tǒng)中多余的葡萄糖以補(bǔ)充糖原和儲(chǔ)存甘油三酯。胰島素是機(jī)體調(diào)節(jié)餐后血糖水平的主要激素,可促進(jìn)糖原合成、抑制糖異生和糖原分解,從而降低血糖。研究發(fā)現(xiàn)在肝臟特異性Rictor 基因敲除小鼠模型中,肝細(xì)胞AKT-Ser473位點(diǎn)磷酸化受抑制,同時(shí)葡萄糖激酶、固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1c(sterol regulatory element binding protein-1c,SREBP-1c)活性降低,引起糖異生增強(qiáng),糖酵解以及脂肪生成作用減弱[15],提示肝細(xì)胞mTORC2 信號(hào)紊亂會(huì)影響肝臟對(duì)機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。
骨骼肌是機(jī)體葡萄糖利用的最主要組織,且骨骼肌胰島素抵抗可能是導(dǎo)致2型糖尿病的重要因素。若骨骼肌及脂肪細(xì)胞攝取循環(huán)血中葡萄糖能力減弱,同時(shí)肝臟糖異生作用增強(qiáng),胰島β細(xì)胞釋放胰島素水平不足,則會(huì)引起機(jī)體血糖水平顯著增高[16]。深入研究發(fā)現(xiàn)mTORC2可促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(glu?cose transporter 4,GLUT4)轉(zhuǎn)位以及葡萄糖攝取[17,18];敲低Rictor的L6肌管細(xì)胞葡萄糖攝取能力較對(duì)照組顯著降低[18]。此外,在骨骼肌特異性缺失Rictor的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)該骨骼肌葡萄糖攝取能力下降以及糖原合成酶活性增加,并引起機(jī)體糖耐量下降[17]。與此相一致,脂肪組織特異性缺失Rictor引起脂肪細(xì)胞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力下降,且組織葡萄糖耐受下降、高胰島素血癥以及骨骼肌和肝臟胰島素抵抗[5]。此外也有研究表明,小鼠棕色脂肪細(xì)胞特異性敲除Rictor 可抑制脂質(zhì)從頭合成(de novo lipogenesis,DNL)、促進(jìn)脂質(zhì)分解以及生熱,并抑制飲食誘導(dǎo)的肥胖癥和肝臟脂質(zhì)沉積的進(jìn)展[19]??傊囗?xiàng)研究表明mTORC2 有利于機(jī)體組織細(xì)胞的脂肪生成和糖酵解,抑制脂肪分解以及促進(jìn)葡萄糖攝取,進(jìn)而參與全身代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)控。因此,深入探究mTORC2的功能以及調(diào)節(jié)機(jī)制可為代謝性疾病提供理論依據(jù)。
耐力運(yùn)動(dòng)可通過(guò)誘導(dǎo)肌肉組織重塑,從而改善機(jī)體各組織器官的代謝變化。研究表明,耐力運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體各類健康指標(biāo)具有實(shí)質(zhì)性的益處[20]。在脊椎動(dòng)物中,運(yùn)動(dòng)可增加線粒體的生物合成[21],降低甘油三酯的儲(chǔ)存[22],改善胰島素敏感性[23],并保護(hù)肌肉和神經(jīng)功能[24]。研究認(rèn)為,可能是運(yùn)動(dòng)通過(guò)上調(diào)腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)和In?sulin/AKT 信號(hào)途徑,從而引起機(jī)體代謝指標(biāo)發(fā)生變化[25]。AKT 可以增強(qiáng)脂肪細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞GLUT4 轉(zhuǎn)位,進(jìn)而促進(jìn)葡萄糖攝取。此外,AKT可引起糖原合成激酶3(glycogen synthase kinase 3,GSK-3)磷酸化,進(jìn)而抑制其活性,降低糖原合成酶的磷酸化速率,增強(qiáng)糖原合成酶活性,從而提高糖原含量,此過(guò)程在骨骼肌和肝臟中尤其重要[26]。叉頭轉(zhuǎn)錄因子-1(fork?head box transcription factor 1,F(xiàn)OXO1)在糖異生過(guò)程中發(fā)揮重要作用,同樣,AKT 通過(guò)抑制轉(zhuǎn)錄因子FOXO1,進(jìn)而調(diào)節(jié)組織葡萄糖穩(wěn)態(tài)。此外,AKT 還是mTORC2 的下游底物,因此mTORC2 可能介導(dǎo)了AKT信號(hào)對(duì)葡萄糖穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。
有研究表明,給予骨骼肌組織特異性敲除Rictor基因的小鼠模型進(jìn)行單次運(yùn)動(dòng),發(fā)現(xiàn)骨骼肌葡萄糖攝取能力較正常對(duì)照組顯著降低[27]。此外,長(zhǎng)期有氧運(yùn)動(dòng)可增加骨骼肌Rictor-mTOR的結(jié)合并增強(qiáng)AKT-Ser473位點(diǎn)磷酸化[28]。這提示,mTORC2在運(yùn)動(dòng)調(diào)控骨骼肌細(xì)胞糖代謝中發(fā)揮重要作用。
Ras-相關(guān)C3 肉毒桿菌毒素底物1(Ras-related C3 botulinum toxin substrate 1,Rac1)是Rho GTP酶家族成員之一,可調(diào)控NADPH 氧化酶活性、肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架重構(gòu)等生物過(guò)程。此外,研究表明Rac1在胰島素和運(yùn)動(dòng)刺激骨骼肌葡萄糖攝取以及GLUT4轉(zhuǎn)位過(guò)程中發(fā)揮重要作用[29]。骨骼肌特異性缺失Rac1的小鼠以65% VO2max的速度進(jìn)行跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí),其骨骼肌葡萄糖攝取能力下降,且肌膜上GLUT4表達(dá)量下降,該研究提示Rac1 可能通過(guò)調(diào)控GLUT4 轉(zhuǎn)位,進(jìn)而參與運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的骨骼肌葡萄糖攝取[29]。此外也有研究顯示mTORC2 可與Rac1 結(jié)合,參與運(yùn)動(dòng)促進(jìn)骨骼肌葡萄糖攝取過(guò)程[27]。但目前在骨骼肌細(xì)胞研究mTORC2 與Rac1 兩者關(guān)系的報(bào)道較少,該機(jī)制所涉及的信號(hào)途徑仍需深入探究。
Sestrins 是一組高度保守的應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白,在哺乳動(dòng)物體內(nèi)存在3 種同系物(Sestrin1-3)[30]。Sestrins 的主要功能是降低活性氧(reactive oxygen species,ROS)[31]以及抑制mTORC1[32]。多項(xiàng)研究表明Sestrins參與機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠和瘦素缺乏誘導(dǎo)的遺傳性肥胖小鼠模型實(shí)驗(yàn)表明,Ses?trin2在維持肝臟胰島素敏感性中發(fā)揮重要作用[33]。在脂毒性狀態(tài)下,肝臟Sestrin2 表達(dá)選擇性增加,抑制mTORC1活性,減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激,從而減緩脂肪性肝炎的發(fā)生發(fā)展[34]。Sestrin3同樣可以調(diào)節(jié)肝臟胰島素敏感性,激活I(lǐng)nsulin/AKT信號(hào)傳導(dǎo)途徑[35]。此外,Sestrins能夠促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞AKT磷酸化以及增強(qiáng)葡萄糖攝取能力[36]??梢?jiàn),多項(xiàng)研究提示Sestrins 可通過(guò)介導(dǎo)AKT 信號(hào)途徑,進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)體糖代謝穩(wěn)態(tài)。
Sestrins可通過(guò)多種信號(hào)途徑激活A(yù)KT,如Sestrins通過(guò)抑制mTORC1,調(diào)節(jié)mTORC1/核糖體蛋白S6 激酶(ribosomal protein S6 kinase,S6K)負(fù)反饋抑制信號(hào)途徑[37],從而激活胰島素受體信號(hào)傳導(dǎo)途徑。在該機(jī)制中,mTORC1 持續(xù)性激活,引起S6K 依賴性胰島素受體底物(insulin receptor substrate,IRS)絲氨酸位點(diǎn)發(fā)生磷酸化,從而減弱胰島素受體到PI3K的信號(hào)傳導(dǎo)[38]。因此,Sestrins抑制mTORC1,可間接促進(jìn)PI3K/AKT信號(hào)傳導(dǎo)[37]。此外,Sestrins 也可直接增強(qiáng)mTORC2 的活性,進(jìn)而激活A(yù)KT。前期研究發(fā)現(xiàn),Sestrin2 可與mTORC2 相互作用。同樣,在最新體外mTORC2 激酶測(cè)定實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),HpG2 細(xì)胞過(guò)表達(dá)Sestrin2 可顯著增強(qiáng)mTORC2 的催化活性[39]。此外,Sestrin3 不僅可與Rictor 結(jié)合,也能增加肝細(xì)胞Rictor 與mTOR 結(jié)合,從而激活 mTORC2 以及增強(qiáng)AKT-Ser473 位點(diǎn)磷酸化[35]。研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期有氧運(yùn)動(dòng)可增強(qiáng)骨骼肌Sestrins 蛋白表達(dá)[36]。Lee 等發(fā)現(xiàn)Sestrins 在機(jī)體運(yùn)動(dòng)適應(yīng)性以及運(yùn)動(dòng)改善機(jī)體胰島素敏感性等方面發(fā)揮重要作用[40]。研究還提示,mTORC2/AKT信號(hào)途徑可能對(duì)運(yùn)動(dòng)和Se?strin 均產(chǎn)生重要影響[40]。綜上所述,mTORC2 在Ses?trins介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)骨骼肌胰島素敏感性過(guò)程中可能發(fā)揮重要作用。
雖然AKT 作為mTORC2 的底物,且該信號(hào)途徑在mTORC2 維持機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。然而,有研究表明mTORC2促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞GLUT4轉(zhuǎn)位以及葡萄糖攝取過(guò)程可不依賴于AKT/AS160 信號(hào)途徑[18,41]。與該研究相一致,在小鼠棕色脂肪細(xì)胞特異性敲除Rictor研究中發(fā)現(xiàn),mTORC2通過(guò)促進(jìn)FOXO1去乙酰化調(diào)控脂質(zhì)分解代謝[19],而非依賴于AKT 信號(hào)途徑。Guertin等也發(fā)現(xiàn)白色脂肪細(xì)胞特異性敲除Rictor,脂肪生成轉(zhuǎn)錄因子碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白β(carbo?hydrate response element- binding protein β,ChREBPβ)表達(dá)下降,導(dǎo)致脂肪酸從頭合成減少及肝臟胰島素敏感性受損[42]。該研究提示mTORC2 部分程度上通過(guò)調(diào)控ChREBPβ表達(dá)以及脂質(zhì)從頭合成,進(jìn)而調(diào)節(jié)脂肪細(xì)胞葡萄糖攝取,而對(duì)總AKT(pan-AKT)信號(hào)途徑未有影響[42]。mTORC2 不依賴于AKT 信號(hào)途徑調(diào)節(jié)機(jī)體代謝過(guò)程可能有以下三種可能[42]:一是當(dāng)機(jī)體缺失mTORC2,AKT 信號(hào)途徑發(fā)生重新編程以克服依賴于mTORC2 的某些功能,某些無(wú)法克服依賴于mTORC2 功能的AKT 底物除外;二是僅部分AKT 底物需要依賴mTORC2 的激活,如AKT1-Ser473 和AKT2-Ser474 位點(diǎn)[19,42];第三種可能是mTORC2 不通過(guò)AKT信號(hào)途徑,也能調(diào)節(jié)骨骼肌細(xì)胞代謝。因此,對(duì)于mTORC2的功能仍需不斷深入認(rèn)識(shí)。
規(guī)律運(yùn)動(dòng)具有促進(jìn)骨骼肌糖代謝、改善胰島素抵抗等積極作用,但其具體機(jī)制尚不完全明確。運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)骨骼肌細(xì)胞mTORC2 的表達(dá)和活性,但mTORC2是否介導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)改善機(jī)體骨骼肌胰島素抵抗、調(diào)節(jié)代謝穩(wěn)態(tài)及mTORC2調(diào)節(jié)骨骼肌糖代謝中的機(jī)制等均有待深入研究證實(shí)。因此,開(kāi)展mTORC2 的功能研究將有助于揭示運(yùn)動(dòng)防治代謝性疾病的機(jī)理,同時(shí)為新藥研發(fā)提供新的選擇。
中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志2020年12期