mTOR和细胞生长的营养信号

摘要

TOR信号通路

雷帕霉素（哺乳动物中的TOR，mTOR或也称为机械性TOR）的靶点是一种保守的非典型丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，属于磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶（PIKK）家族；然而，它是一种蛋白激酶。顾名思义，它是雷帕霉素的靶标，雷帕霉素是37年前从细菌中首次分离出的一种天然化合物吸水链霉菌不久后发现具有抗增殖特性。16年后，基因筛查酿酒酵母确定突变的TOR1和TOR2基因赋予雷帕霉素抗性[1,2]. 随后对哺乳动物的研究发现，mTOR是雷帕霉素的靶点[三-5]. 雷帕霉素类似物目前正在临床试验中，用于治疗各种癌症。埃弗罗莫司和特米罗莫司最近被批准用于晚期肾癌[6].

早期对酵母的研究表明，TOR是一种多功能蛋白激酶，并非TOR的所有功能都对雷帕霉素的抑制敏感。这导致发现了两种不同的TOR复合物，TORC1和TORC2[7]. 这两种TOR复合物在哺乳动物中是保守的，称为mTORC1和mTORC2，前者被雷帕霉素有效抑制[8,9]. 后来的研究表明，延长雷帕霉素治疗也通过在某些细胞类型中螯合mTOR来抑制mTORC2的组装[10,11]. 生长因子控制mTOR复合物，mTORC1也受应激和营养物质（如氨基酸和葡萄糖）的调节(图1) [12]. 本文综述了mTORC1的营养调控；关于mTORC2的其他信息在其他地方进行了审查[13]. mTOR是mTORC1的催化亚单位。mTORC1的其他成分包括：mTOR（猛禽）的调节相关蛋白，参与底物识别；mTORC1抑制调节剂富含脯氨酸的AKT/PKB底物40 kDa（PRAS40）和脱域mTOR相互作用蛋白（Deptor）；和阳性mTORC1调节因子对sec-13蛋白8（mLST8，也称为GβL）致死的哺乳动物[14]. 三个独立的研究组最近表明，mTOR通过SCF（βTrCP）E3连接酶降解Deptor来控制其自身的激活，尽管这些研究的机制细节存在显著差异[15-17].

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图1

mTOR信号级联

雷帕霉素复合物1（mTORC1）和2（mTORC 2）的哺乳动物靶点均受生长因子控制，而mTORC2也受细胞能量状态、氧气、应激和氨基酸（AA）的调节。A）mTOR由生长因子通过经典磷脂酰肌醇3-激酶-蛋白激酶B（也称为AKT）、PI3K-AKT途径和Ras信号级联控制。PI3K被胰岛素受体底物（IRS-1）激活并补充到膜上，在那里它催化PtdIns（4,5）的磷酸化P（P）₂（PIP2）至PtdIns（3,4,5）P（P）_三（PIP3）。AKT通过其与PIP3的全序列同源性（PH）域结合被招募，并被磷酸肌醇依赖性激酶-1（PDK1）磷酸化和激活。mTORC2被认为在PI3K下游被激活，可能是通过核糖体结合，尽管仍有许多尚未解决的问题。虚线箭头表示可能涉及但尚未识别的缺失组件。AKT的完全激活需要T308（通过PDK1）和S473（通过mTORC2）的磷酸化。尽管如此，T308或S473对AKT磷酸化的需求取决于其底物。AKT激酶激活可以通过两种方式促进mTORC1信号传导：通过磷酸化和抑制结节性硬化复合物2（TSC2）GTPase激活蛋白（GAP）活性，从而激活Rheb；通过磷酸化富含脯氨酸的AKT/PKB底物40 kDa（PRAS40），从而增加PRAS40-14-3-3结合并解除PRAS40对mTORC2的抑制。除了AKT，Ras通路还通过ERK和RSK1调节mTORC1，ERK和RSK1磷酸化并抑制TSC1/2。TBC1D7是TSC的第三个亚单位，促进TSC1-TSC2相互作用和Rheb-GAP活性。RTK，表示受体酪氨酸激酶。B）IKKβ还可以抑制炎症反应中的TSC1/TSC2。C）受Wnt信号调节的GSK3-β以AMP-激活依赖性激酶（AMPK）启动磷酸化方式磷酸化TSC2并增加其GAP活性。D）缺氧促进发育和DNA损伤反应1（REDD1）的表达，该反应激活TSC1/TSC2，而缺氧由于不能产生足够的ATP而激活AMPK。E）当细胞能量低时，AMPK被激活，并通过磷酸化和激活TSC2来调节mTORC1。此外，AMPK可以磷酸化猛禽并抑制mTORC1功能。F）DNA损伤通过p53依赖性上调REDD1和AMPK导致mTORC1活性受到抑制。G）AA信号激活mTORC1（参见图3). 粉红色圆圈代表AA。

核糖体S6激酶（S6K）和eIF4E结合蛋白（4EBP，也称为PHAS-1）是mTORC1最具特征的两种底物，它们促进蛋白质合成（综述于[18]). 尽管在许多研究中，mTORC1已被证明调节翻译，但直到最近，mTORC控制的整体翻译程序还不确定。两项全球分析研究已经确定了mTORC1强烈刺激其翻译的特定mRNA；它们编码参与翻译、细胞增殖、侵袭和代谢的蛋白质[19,20]. 除控制蛋白质合成外，mTORC1还可以靶向和控制参与自噬、脂质合成、胰岛素作用和核糖体生物合成的成分（综述于[14]). 高mTORC1激活抑制营养充足时的自噬。最近的研究表明，自噬起始激酶ULK1复合体的两个亚单位ULK1和ATG13的磷酸化可能是mTORC1抑制自噬的潜在机制[21-24].

包括生长因子、压力和营养素在内的多种上游信号控制mTORC1(图1) [12]. 生长因子激活PI3K-AKT-TSC信号级联。TSC1和TSC2形成一个物理和功能TSC复合体。TSC1稳定TSC2[25,26]，TSC2作为GTP酶激活蛋白（GAP），促进小GTP酶Rheb固有的GTP水解活性[27-32]. TSC的第三个组成部分TBC1D7最近被确定；它被认为促进TSC1-TSC2相互作用和Rheb-GAP活性[33]. 激活的GTP-结合的Rheb在TSC抑制下通过未知的作用模式与mTORC1结合并有效激活。除了生长因子外，炎症、Wnt信号转导、缺氧、低能状态和DNA损伤等其他刺激物也联合在TSC复合体上，以控制mTORC1（综述于[34]). 因此，TSC复合体是mTORC1的关键上游调节器(图1).

营养物质的可用性是细胞生长和所有生物体生存的基础。细胞通过在营养充足时触发能量消耗合成代谢途径或在压力和饥饿条件下触发能量生成分解代谢途径来响应营养物质的数量。mTOR协调这些过程；它在营养丰富的条件下被激活，在营养限制的条件下功能被阻断。mTORC1仔细整合这些信号，以控制细胞代谢和生长的许多基本过程。葡萄糖利用率和能量波动通过AMP-activated protein kinase（AMPK）转化为mTOR，AMPK直接感知能量波动[35]. 相比之下，AA传感器的识别及其位置——细胞外、细胞内或溶酶体内——仍不清楚。许多控制AA mTORC1活化的中间体已经被鉴定，包括最具特征的Rag GTPases(表1). 然而，一些组分的发现与其他组分发生了重大冲突，模糊了一条清晰的路径，可能涉及多个组分。在这篇综述中，我们概述了在解读营养素-mTORC1信号级联的分子机制方面取得的最新进展，包括新识别的成分。此外，我们强调了尚未回答的问题以及未来的发展方向。

AMPK营养和能量传感

AMPK是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，是在所有真核生物中发现的重要细胞能量传感器，当细胞AMP或ADP增加时激活。在营养缺乏条件下，AMPK激活通过磷酸化大量底物来抑制合成代谢过程并促进分解代谢过程，从而为细胞保存能量。AMPK是一种异三聚体复合物，由一个催化亚基（α）和两个调节亚基（β和γ）组成。β亚基的肉豆蔻酰化是膜定位和活化所必需的[35]. AMPK直接检测低能状态；γ亚单位与AMP和ADP结合，实施构象改变，阻止AMPK去磷酸化，使其保持激活状态。激活环中苏氨酸172处AMPK的磷酸化对其激活至关重要。肝激酶B1（LKB1；也称为STK11）是一种在Peutz-Jeghers综合征中突变的肿瘤抑制基因，是主要的上游AMPK-苏氨酸172激酶。LKB1通过与假激酶STRAD和衔接蛋白MO25的相互作用而被变构激活。苏氨酸172也可被钙/钙调素活化激酶CAMKKβ（也称为CAMKK2）磷酸化。然而，CAMKKβ介导的AMPK磷酸化伴随着细胞内钙的增加而发生，并不一定会改变AMP和ADP水平[36].

在营养缺乏条件下，AMPK充当所谓的“代谢检查点”，通过TSC2和猛禽的直接磷酸化向mTORC1传递信息，以抑制细胞生长并保存能量(图2). AMPK通过磷酸化TSC2并激活其GAP活性来阻断mTORC1激活和信号传导[37,38]. TSC2的GAP活性增加会降低Rheb-GTP和mTORC1的活化。AMPK对TSC2的磷酸化作用是糖原合成酶激酶3β（GSK3-β）磷酸化和激活TSC2功能的引物。Wnt信号通过抑制GSK3-β促进mTOR激活和细胞生长[37]. 除了通过TSC2抑制mTORC1外，AMPK还通过猛禽的直接磷酸化、诱导14-3-3和猛禽结合来抑制mTORC 1的激活[38]. 缺氧通过减少ATP生成促进AMPK-TSC激活并抑制mTORC1。此外，发育和DNA损伤反应1（REDD1）基因低氧诱导表达的增加可以以TSC依赖的方式抑制mTORC1[39,40]. AMPK在控制mTORC1中的许多营养感应机制都已被证明。未来的研究结果将揭示什么将是有趣的，特别是什么额外的串扰和线索调节AMPK，这可能影响mTORC1和细胞生长。

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图2

AMPK能量传感和mTORC1控制

AMP-activated protein kinase（AMPK）在营养缺乏条件下充当代谢检查点，通过结节性硬化复合物2（TSC2）和猛禽的直接磷酸化将信号转化为mTORC1，并抑制细胞生长。激活环中肝脏激酶B1（LKB1）在苏氨酸172处磷酸化AMPK对AMPK激活至关重要。LKB1与STRAD和MO25位于一个综合体中。AMPK通过磷酸化TSC2磷酸化并激活TSC1/2，从而抑制mTORC1。AMPK还在诱导Raptor-14-3-3结合和mTORC1抑制的位点上以平行途径磷酸化mTOR（Raptor）的调节相关蛋白。RTK表示受体酪氨酸激酶。P代表磷酸化。

mTORC1的氨基酸信号

与AMPK的葡萄糖和能量传感相比，人们对AA是如何传感和调节mTORC1的还知之甚少。AA是促进细胞生长的蛋白质的构建块，毫不奇怪，AA驱动mTORC1途径。生物体紧密协调合成代谢和分解代谢事件之间的平衡，以充分利用能量和氨基酸。事实上，氨基酸对mTORC1的激活至关重要，因为当氨基酸限制时，生长因子和其他刺激物不能有效激活mTOR[41-43]. 激活mTORC1所需的特定AA尚不完全清楚，尽管在下调mTOR信号中，关键AA亮氨酸和精氨酸的提取与总AA的去除一样有效[44]. 此外，细胞外亮氨酸需要谷氨酰胺来激活mTOR[45]最近发现谷氨酰胺代谢可以控制mTORC1(方框1) [46,47]. AAs如何精确控制mTORC1目前是一个热门话题，导致许多最近的出版物确定了旨在解码此信号级联机制的新组件(表1).

方框1

谷氨酰胺代谢对mTORC1的调节

谷氨酰胺是血液中最丰富的AA。谷氨酰胺的代谢通过一个称为谷氨酰胺水解的双脱氨基过程发生，产生α-酮戊二酸（αKG）(图一). 首先，谷氨酰胺被谷氨酰胺酶（GLS）脱氨基生成谷氨酸。谷氨酸通过谷氨酸脱氢酶（GDH）转化为αKG。亮氨酸是GDH的变构调节因子，直接与GDH结合，通过刺激谷氨酸脱氨形成αKG来帮助促进谷氨酸分解。谷氨酰胺分解最近被认为可以刺激Rag-mTORC1信号。αKG被认为通过αKG依赖性双氧酶家族脯氨酰羟化酶激活mTORC1。谷氨酰胺代谢对维持ATP水平很重要，通过αKG补充TCA循环，癌细胞被认为对谷氨酰胺上瘾。谷氨酰胺与亮氨酸结合增加RagA/B^{全球技术伙伴}促进mTORC1激活(图3). 6-重氮-5-氧代-L-去甲亮氨酸（DON）对谷氨酰胺分解的化学抑制降低RagA/B^GTP公司mTOR溶酶体定位，从而激活mTORC1。组成活性Rag复合体RagA/B持续过度表达^{全球技术伙伴}-RagC/D公司^{国内生产总值}，通过DON逆转mTORC1抑制。此外，谷氨酰胺水解被证明可以通过mTORC1调节自噬和细胞大小[46]. 谷氨酰胺合成酶（GS）是一种催化与GLS相反反应的酶，其升高会抑制mTORC1溶酶体的易位和活化，并促进自噬[88]. 这些发现证明了代谢和细胞信号之间的串扰，并开始构建mTORC1如何同时感知谷氨酰胺和亮氨酸的波动的模型。谷氨酰胺产生的αKG激活mTORC1并抑制自噬，而谷氨酰胺的合成抑制mTORC2并促进自噬。

图一

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谷氨酰胺控制的mTORC1活化

谷氨酰胺代谢控制mTORC1。顶部谷氨酰胺分解是谷氨酰胺向α-酮戊二酸（αKG）的代谢，是一个导致mTORC1激活的两步过程。谷氨酰胺首先被谷氨酰胺酶（GLS）去胺化以产生谷氨酸，然后谷氨酸脱氢酶（GDH）产生a-KG。底部-相反，谷氨酰胺的合成抑制mTORC1的激活。谷氨酰胺是由谷氨酸的谷氨酰胺合成酶合成的。

Rag GTPases（Rag GT酶）

mTORC1的AA-依赖性诱导的中心阶段是GTPases的Rag家族，这可能是AA信号和mTORC2之间迄今为止最强的联系(图3). 两个独立小组使用不同的方法确定了这种联系。一项针对哺乳动物细胞的研究通过免疫沉淀质谱分析方法确定Rags为Raptor相互作用蛋白，另一项通过RNA干扰（RNAi）筛选小GTPases，用于果蝇属单元格[41,48]. 哺乳动物中有四种Rag蛋白：RagA和RagB（~98%的序列相似性）和RagC和RagD（~87%的序列类似性）[12]. RagA或RagB与RagC或RagD形成异二聚体；因此，可能有四种不同的配合物。Ras家族GTP酶尚未被报道形成稳定的二聚体，这使其成为Rags的独有特征。在酵母中，Rag蛋白与Gtr1p（RagA或RagB）和Gtr2p（Rag C或RagD）同源。Rags和TORC1在酵母中的第一个联系是发现Gtr2p是TORC1的潜在下游效应器[49]. 在结构上，Gtr1p和Gtr2p都由一个在鸟嘌呤核苷酸结合中起重要作用的N端Ras-like GTPase结构域和一个对Gtr1p-Gtr2p相互作用起关键作用的C端结构域组成[50]. AAs促进Rag络合物的活性构象，其中RagA/B负载GTP（RagA/B^{全球技术伙伴})并且RagC/D加载了GDP（RagC/D^{国内生产总值}). 在AA-rich条件下，RagA/B^{全球技术伙伴}-RagC/D公司^{国内生产总值}异二聚体与猛禽相互作用，将mTORC1从细胞内未定义的位置招募到溶酶体。免疫荧光研究表明，AA的退出导致内源性mTOR在整个细胞中扩散，而AA的刺激促进了mTOR和LAMP2（溶酶体相关膜蛋白）的共同定位。Rags被认为将mTORC1穿梭到溶酶体上，使其靠近Rheb，Rheb是mTORC的一种有效激活剂。一种突变的组成型活性Rag复合物（RagA/B^{全球技术伙伴}-RagC/D公司^{国内生产总值})可以在没有AA的情况下绑定并激活mTORC1。一直以来，非活性Rag复合体（RagA/B^{国内生产总值}-RagC/D公司^{全球技术伙伴})不与mTORC1相互作用，即使在AA存在的情况下也抑制mTORC2活性[51]. 因此，Rag复合物的鸟嘌呤核苷酸状态对调节mTORC1的激活至关重要。Rag GEF和GAP的识别对于理解AA向mTORC1的信号传递具有重要意义(方框2).

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图3

mTORC1的氨基酸信号

氨基酸（AA）被描绘成粉红色圆圈，可以被感知A）细胞外，B）细胞内，从细胞内C）溶酶体，或通过组合。此外，检测到的促进mTORC1激活的特定AA尚不清楚。例如，mTORC1可以通过亮氨酸-tRNA合成酶（LeuRS）检测1）亮氨酸和2）谷氨酰胺水平。谷氨酰胺分解导致mTORC1激活，而谷氨酰胺合成似乎抑制mTORC2(方框1). 作为对AA的响应，主动RagA/B^{全球技术伙伴}-RagC/D公司^{国内生产总值}与mTOR（猛禽）的调节相关蛋白发生物理相互作用，并将mTORC1招募到溶酶体中，以通过另一种GTPase Rheb促进其激活。最近，也有报道称TSC2定位于溶酶体（TSC1和TBC1D7尚未确定位于溶酶体，用？表示）。mTORC1与Rag A/B的相互作用^{全球技术伙伴}-Rag C/D公司^{国内生产总值}由一种叫做Ragulator的复合物固定在溶酶体上。Ragulator还充当Rag a/B的鸟嘌呤交换因子（GEF）^{全球技术伙伴}，促进mTORC1激活。此外，在AA对mTORC1的感应中，已观察到v-ATP酶位于Ragulator的上游。v-ATP酶通过一种“内-外”机制从溶酶体管腔内感应AA。AA是如何在溶酶体内积聚的，以及与之相关的转运蛋白是什么，目前尚不清楚，用？表示？。生长因子通过PI3K-AKT-TSC途径激活Rheb（Rheb^{全球技术伙伴})因此它可以激活mTORC1的激酶活性，而AAs通过Rags将mTORCl定位在溶酶体上与Rheb接近的位置。RTK表示受体酪氨酸激酶。

方框2

参与mTORC1氨基酸信号传导的GEF和GAP

氨基酸（AA）向mTOR和细胞生长发出信号的一个重要部分是Rag鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）和相反的GTPase激活蛋白（GAP）的鉴定。GEF通常通过促进二磷酸鸟苷（GDP）与三磷酸鸟苷（GTP）的交换来激活GTP酶，而GAP通过增加GTP水解的固有速率来拮抗GTP酶的失活[89]. 拉格A/B^{全球技术伙伴}必须与RagC/D异二聚^{国内生产总值}为了变得活跃。因此，Rags和其他与mTORC1信号传递有关的小GTPase的GEF和GAP的编配是mTORC2激活的关键。一项新的研究刚刚出现，将溶酶体定位的RagA/B GEF确定为Ragulator。根据C7orf59和HBXIP两种新成分的鉴定，Ragulator现在被归类为五聚体(灯4和灯5）。全球环境基金对RagA/B的活动似乎需要Ragulator综合体的所有五个组成部分[55]. 据报道，Vam6在酿酒酵母[57]. 然而，哺乳动物Vam6的VPS39同源物对RagA/B没有GEF活性[55]. 两项研究确定亮氨酸-tRNA合成酶（LeuRS）是AAs激活mTORC1的一种成分。有趣的是，在酵母和哺乳动物细胞中，LeuRS都参与AA向mTORC1的信号传递，尽管所提出的机制在酵母和哺乳类之间存在很大差异。在酵母中，LeuRS直接与Gtr1p相互作用^{全球技术伙伴}，抑制未知间隙并保持TORC1激活[72]. 在哺乳动物中，LeuRS与细胞质中的RagD（Gtr2p同源物）结合并充当GAP。LeuRS通过促进RagD促进活跃的RagD形式^{国内生产总值}[71]. 当前模型中缺少RagA/B GAP和Rheb GEF[90]. 未来研究确定GEF和GAP及其调控将为AA传感和细胞生长控制提供重要的新见解。此外，除了定位额外的GEF/GAP外，哪些AAs控制它们以及它们来源于何处（细胞外、细胞内或溶酶体内）将是非常令人感兴趣的。

AAs不能激活Rheb敲除细胞中的mTORC1，这证明了AAs诱导的mTORC激活需要Rheb[42,52]. 值得注意的是，Rheb可能不直接参与AA向mTORC1发送信号。使用过表达标记Rheb的荧光显微镜研究表明，Rheb存在于溶酶体中，但目前没有有效的内源性抗体来证实这一结果。最近，使用一种有效的内源性TSC2抗体进行的额外定位研究表明，TSC2也定位于溶酶体，以进一步支持Rheb在溶酶体中的存在[33]. 如前所述，生长因子如胰岛素信号通过PI3K-AKT-TSC途径增加Rheb^{全球技术伙伴}并促进mTORC1激活，而AAs通过Rags将mTORC2转运到溶酶体。这是一个很有吸引力的模型，因为它解释了mTORC1如何在控制细胞生长时结合多种输入，例如生长因子和AA。进一步支持该模型，据报道，氨基酸促进Rheb-mTOR结合[52,53]. 即使在AA饥饿的情况下，Rheb过表达也能激活mTORC1。过度表达的Rheb可能定位于整个细胞[51,54]; 因此，即使mTORC1没有定位在溶酶体上，也可以激活mTORC1。与该模型一致，无论AA状态如何，人工将猛禽靶向溶酶体表面都会激活mTORC1[51].

与mTORC1氨基酸信号相关的其他成分

结束语

营养素、生长因子和压力的感应都集中在主调节器mTOR上，以适当控制细胞生长和生理。虽然从生长因子和应激到mTORC1的许多信号级联都有很好的特征，但从营养物到mTORC激活的途径还不太清楚。在理解AMPK对mTORC1的能量感应方面取得了很大进展，但在AA感应途径方面仍需进行大量工作。许多蛋白质已被鉴定并表征为在该信号级联中起作用，可能涉及多个途径。Rag GTPases已成为AA下游调节mTORC1活性的关键分子开关。弄清哪些氨基酸在mTORC1激活中起关键作用，以及它们来源于何处（细胞外、细胞内或溶酶体内），将有助于识别传感器。将当前已知的所有组件连接到精确的机制，并相互连接，这将是完全理解mTOR如何感知AA的一个主要挑战。

脚注

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