mTOR信号通路的背景
什么是mTOR信号通路？
mTOR信号通路是一个关键的细胞内信号网络，在调节各种细胞过程中起着关键作用，包括细胞生长、代谢、增殖和存活。该途径的核心是哺乳动物雷帕霉素（mTOR）靶点，这是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，整合来自细胞外环境和细胞内条件的广泛信号来调节细胞功能。
mTOR途径由两种结构和功能不同的复合物组成：mTOR复合物1（mTORC1）和mTOR复合体2（mTORC 2）。这些复合物由不同的亚单位组成，具有独特的敏感性和特定的细胞作用。
关键部件和功能
mTORC1型
mTORC1对大环内酯类抗生素雷帕霉素（也称为西罗莫司）敏感，主要参与调节细胞生长和代谢。它由mTOR本身、猛禽、mLST8、PRAS40和DEPTOR组成。激活后，mTORC1刺激合成代谢过程，如蛋白质合成和脂质生物合成，同时抑制分解代谢过程，例如自噬。mTORC1的激活受到各种信号的影响，包括生长因子、营养物质（尤其是氨基酸）、能量状态和应激条件。mTORC1的关键上游调节因子包括TSC复合物和Rheb GTPase，它们根据营养和能量水平调节复合物的活性。TSC是一种由TSC1、TSC2和TBC1D7组成的异源三聚体复合物，作为小GTPase Rheb的GTPase激活蛋白（GAP），直接结合并激活mTORC1。
mTORC2型
与mTORC1相比，mTORC2对雷帕霉素不敏感，参与调节细胞存活、增殖和细胞骨架组织。它由mTOR、Rictor、mLST8、Deptor、mSIN1和Protor1/2组成。mTORC2在调节Akt激酶活性方面起着关键作用，Akt酶参与促进细胞生存和生长。此外，mTORC2与PKC激酶家族的调节有关，PKC激酶对细胞骨架动力学很重要。mTORC2主要作为胰岛素/PI3K信号的效应器发挥作用。与大多数PI3K调节蛋白一样，mTORC2亚单位mSim1包含一个磷酸肌醇结合的PH结构域，对胰岛素依赖性调节mTORC1活性至关重要。
图1：mTORC1和mTORC2的成分，以及这两种配合物最著名的底物。（Jose J Limon，2012）
mTOR信号通路的生理作用
mTOR信号通路在体内发挥着多种生理作用，是细胞生长、代谢、增殖和生存的中枢调节器。以下是mTOR信号通路的一些关键生理作用：
细胞生长和增殖：mTORC1是mTOR途径的两个主要复合物之一，对营养素和生长因子敏感，通过刺激蛋白质合成和脂质生物合成促进细胞生长和增殖。它通过激活核糖体蛋白S6激酶（S6K）和抑制真核生物翻译起始因子4E-结合蛋白（4EBP）来实现这一点，后者是翻译起始的关键调节器。
代谢调节：mTOR途径整合来自营养素、能量状态和生长因子的信号来调节细胞代谢。mTORC1尤其参与葡萄糖代谢的调节，它可以根据葡萄糖水平调节糖酵解和葡萄糖摄取。它还通过控制脂肪酸合成相关基因的表达，在脂质代谢中发挥作用。
自噬：mTORC1是自噬的负调控因子，细胞通过自噬降解和再循环自身成分。在营养素缺乏的条件下，mTORC1被抑制，导致自噬激活，这有助于维持细胞内环境稳定和能量平衡。
细胞存活与凋亡：mTORC1和mTORC2都在促进细胞存活方面发挥作用。mTORC1通过抑制促凋亡蛋白和激活抗凋亡蛋白来实现这一目的。另一方面，mTORC2已被证明能激活促生存激酶Akt，后者是细胞生存信号的关键介体。
免疫功能：mTOR通路也参与免疫系统的调节。mTORC1对包括T细胞和巨噬细胞在内的各种免疫细胞的分化和功能至关重要。它可以调节促炎反应和抗炎反应之间的平衡，这对维持免疫稳态至关重要。
衰老与长寿：研究表明，抑制mTORC1可以延长各种生物体的寿命，包括酵母、蠕虫和苍蝇。在哺乳动物中，在某些遗传模型中，mTORC1信号减少与寿命延长有关，这表明mTORC2可能是促进人类健康和长寿的潜在靶点。
压力反应：mTORC1对各种形式的细胞应激敏感，包括氧化应激和DNA损伤。它可以通过调节细胞周期进展和凋亡来调节细胞对这些应激的反应，从而影响细胞的整体应激耐受性。
心血管健康：mTORC1和mTORC2与心血管健康的调节有关。mTORC1抑制已被证明可以预防心脏肥大和缺血性损伤，而mTORC2与心脏功能和代谢的调节有关。
图2.人类恶性肿瘤中mTOR信号级联的药理学靶向作用。（维维克·潘瓦尔，2023年）
mTOR信号通路Re我ated疾病
mTOR信号通路因其在调节细胞生长、代谢、增殖和生存方面的核心作用而与广泛的疾病有关。以下是与mTOR信号通路相关的一些关键疾病：
癌症：mTOR通路的异常激活在各种类型的癌症中经常被观察到。尤其是mTORC1复合物与细胞增殖和生存有关，使其成为癌症治疗的靶点。抑制mTORC1可以抑制肿瘤生长和血管生成，同时也在研究mTORC2在癌细胞生存和化疗抵抗中的作用。
心血管疾病：mTOR信号在心血管疾病的发展中发挥作用，包括动脉粥样硬化、心肌肥厚和心力衰竭。研究表明，mTORC1和mTORC2均能调节心血管过程，如脂质代谢、炎症和缺血反应。
神经退行性疾病mTOR通路参与神经退行性疾病的发病机制，如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病。mTORC1的激活与自噬的失调有关，自噬可导致有毒蛋白质的积累和神经元损伤。
自身免疫性疾病：mTOR信号对免疫细胞功能的调节至关重要，mTORC1和mTORC2的失调与自身免疫性疾病如多发性硬化症和类风湿性关节炎有关。mTOR抑制剂通过调节免疫反应和减少炎症，在治疗这些疾病方面显示出了前景。
代谢紊乱：mTOR通路对新陈代谢的调节至关重要，其失调可导致代谢紊乱，如肥胖和2型糖尿病。mTORC1尤其参与糖和脂代谢的调节，其抑制作用已被证明可提高胰岛素敏感性并减少代谢综合征特征。
老龄化和老年相关疾病：已知mTOR信号传导影响衰老过程和与年龄相关疾病的发展。抑制mTORC1已被证明可以延长模型生物体的寿命，并且被认为有可能通过促进细胞健康和减少炎症来延缓与年龄相关的疾病的发病。
炎症性疾病mTOR通路参与炎症反应的调节，其激活可促进炎症疾病的发展。mTOR抑制剂在减轻炎症和改善炎症性肠病等疾病预后方面的潜力已被研究。
案例研究
案例研究1：重组人EIF4E(EIF4E-2775H型)
研究人员此前曾报道过白念珠菌中的18S和25S核糖体RNA分子对5'→3'外切酶产生抗药性，表现为细胞接近稳定生长期。初步分析表明，在其5'末端有多余的磷酸盐，这增加了它们被新转录的可能性。在这里，我们报道了探索这种可能性的其他实验，并试图确定哪些RNA聚合酶可能转录它们。寡聚和引物延伸再次表明，18S和25S核糖体RNA组分的5'端加工位点存在额外的磷酸盐。BMH-21对Pol I的抑制增加了分子的存在。定量分析表明，抗性18S和25S分子主要产生于细胞核。帽特异性抗体和eIF4E帽结合蛋白在定量扩增后增加了富集倍数。在染色质沉淀和qPCR分析中，对RNA聚合酶II c末端结构域和TFIIB引发因子具有特异性的抗体显示，18S和25S分子的DNA序列上都存在Pol II。雷帕霉素对TOR复合物的抑制也导致抗药性18S和25S分子的增加。
图1.eIF4E帽结合蛋白（CBP）从总RNA中沉淀的18S、25S和ITS-1分子的RT-qPCR定量。（Ilaria Moscetti，2018）
案例研究2：重组人TP53蛋白(TP53-185H型)
在许多人类肿瘤中，p53被发现因突变而失去功能。因此，野生型p53及其致癌突变体为诊断和预后目的提供了有价值的癌症生物标志物。研究人员开发了一种基于表面增强拉曼光谱的高灵敏度生物传感器，用于检测野生型p53和p53R175H，这是p53最常见的肿瘤相关突变体之一。通过跟踪纳米颗粒-抗体生物结合固有的特定拉曼标记的增强信号，他们能够将抗原检测水平降低到缓冲液中的等位范围和加标人血清中的股骨范围。该方法在区分缓冲液和血清中野生型p53和p53R175H突变体方面具有较高的重复性和显著的选择性。建立了一个校准图，并通过ELISA验证了p53的可靠定量。该方法可以很容易地扩展到对其他普遍感兴趣的标记物的超灵敏检测，并可行地应用于多种分析，作为多种应用的实验室芯片设备。
图2：将抗p53wt探针孵育在不同浓度的p53 wt官能化底物上获得的样品的SERS光谱。（安娜·丽塔·比扎里，2018）
案例研究3：重组人BCL2
雷帕霉素mTOR复合物1（mTORC1）的机械靶点在整合各种环境信号以调节细胞生长和代谢中起着关键作用。mTORC1被招募到溶酶体中，通过与GTP-结合的Rheb GTPase的相互作用而被激活。然而，Rheb活性的调节机制在很大程度上仍然未知。在这里，这项研究表明泛素化支配Rheb的核苷酸结合状态。溶酶体锚定的E3连接酶RNF152催化大黄泛素化并促进其与TSC复合物的结合。EGF通过AKT依赖的USP4磷酸化增强Rheb的去泛素化，导致Rheb从TSC复合物中释放。在功能上，Rheb的泛素化与mTORC1介导的信号转导有关，从而调节肿瘤生长。因此，提出了一个机制模型，即Rheb介导的mTORC1激活由Rheb泛素化和氘化之间的动态相反作用决定，而这两种作用分别由RNF152和USP4催化。
图3.RNF152增强了大黄在体外的泛素化。（鲁登，2019）
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