mTORC1激活中的营养素与生长因子

摘要

生长因子和营养素

自从十多年前通过Akt和结节性硬化综合征（TSC）的相互作用在生长因子和mTORC1激活之间建立联系以来(1,2)，我们对所涉及的机制和参与者的了解大大增加。相比之下，关于营养素如何激活mTORC1的图片还远不完整，我们刚刚开始为一个直到2008年还几乎未知的谜题添加一些片段，因为Rag GTPases是氨基酸和mTORC2之间的直接联系(三,4).

虽然生长因子和营养素都会激活mTORC1，但每种输入的方式都表明它们在触发基于mTORC2的反应的能力方面存在合作。生长因子信号通过一个过程驱动mTORC1的激酶激活，该过程从质膜开始，通过酪氨酸激酶受体和PI3K激活胰岛素等蛋白激素诱发的信号传导。PI3K反过来激活Akt，后者磷酸化并抑制TSC(1,2)，一种对Rheb GTPase具有GTPase激活蛋白（GAP）活性的复合物(5-7)，负责mTORC1的直接激酶激活。营养信号以不同的方式运作：当Rag GTPases被发现时，最初令人困惑的观察结果是纯化的mTORC1的活性没有受到影响在体外Rag GTP酶的激活导致人们认识到，mTORC1的Rag依赖性激活是由不同的机制引起的。营养充足时，Rag GTPase与mTORC1相互作用并将其补充到Rag和Rheb GTPase所在的外溶酶体表面(4,8)，允许后者激活mTORC1激酶。这一机制性见解解释了为什么营养素和生长因子输入不能相互替代，必须同时在细胞内发生才能激活mTORC1，并表明这些输入协同激活mTORC。逻辑上，一个会触发合成代谢并增加其质量的细胞需要参与能量昂贵且受mTORC1调控的细胞过程。因此，这种合作保证，当1）存在长程生长因子信号，2）Rag GTP酶对当地营养物质的感应确保了积木和能量的可用性时，细胞将完全投入其中。

然而，mTORC1的Rheb和Rag依赖性调节在某些方面是相似的。特别是，它们都位于溶酶体表面，它们都是GTPase，在上游信号的生理波动时改变其核苷酸状态。就Rheb而言，TSC的激活导致Rheb与GDP的结合，相反，Akt对TSC的失活导致Rheb-GTP结合，并激活mTORC1。Rag GTPase家族的四个成员在概念上的行为与大多数GTPase不同，因为它们以专性二聚体的形式存在，其中RagA（或RagB）与RagC（或Rag D）相互作用，并且它们的核苷酸状态相反。营养素的可用性导致RagA/B与GTP和C/D与GDP的负荷，而其缺失则使RagA/B与GDP和C/D分别与GTP负荷。RagA/B与C/D的作用并不相同，因为RagA/B中模拟GTP组成性负载的单一氨基酸取代导致mTORC1的组成性招募（和激活），而与RagC/D的负载状态无关。

上游航行

Rags的发现也为进一步研究营养素如何激活mTORC1奠定了基础。Rag GTPases没有脂质修饰，不允许它们被膜结合，通过与多蛋白复合物Ragulator的组成性相互作用被栓接到溶酶体表面(9)锚定在溶酶体表面，对于Rag蛋白的补充是必要的和足够的。除了作为Rag-mTORC1相互作用的支架外，Ragulator复合物还发挥调节作用，因为它是Rag GTPases的鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）(10). 关于营养素波动如何影响Rag GTPase负载的完整图片还远未完成，但我们已经确定了液泡H⁺-ATP酶（v-ATP酶）是Rag GTPases上游的关键调节因子。v-ATP酶除了以ATP为代价维持细胞质和溶酶体之间的pH梯度的主要功能外，还与对营养水平敏感的Rag-Ragulator相互作用。此外，v-ATP酶的活性对mTORC1的募集和激活至关重要(11). 直接营养素传感器的身份以及它如何通过Rag GTPase与mTORC1募集联系尚不清楚，但至少部分传感似乎是以涉及v-ATP酶的溶酶体内向外方式发生的。

生理环境中的mTORC1调节

结节性硬化症是由构成性mTORC1活性驱动的人类综合征的主要例子。它是由TSC1或TSC2的种系突变引起的，可引起良性和恶性肿瘤、囊肿、癫痫、智力低下和其他症状(12,13). 变形杆菌和变形杆菌样综合征、神经纤维瘤病von Hippel Landau也由生长因子分支中mTORC1活性调节器的基因改变引起(14). 此外，这些基因的零星突变也是肿瘤发生的关键因素。mTORC1的营养依赖性调节也与一种Ragulator蛋白的种系突变引起的人类综合征有关(15)，表明mTORC1上游的两个主轴是人类疾病发病机制的核心。

虽然培养的细胞教会了我们mTORC1生物学的重要方面，但为了建立人类疾病模型，需要实验性的小鼠驱动方法，并一直在努力操纵小鼠中的mTORC2活性。mTORC1关键成分功能丧失导致胚胎死亡(16-18)，这妨碍了深入的洞察力体内，因此在这些研究之后进行了条件删除（参见(19)). 由于大多数解除mTORC1调控的人类综合征包括活性增加，因此获得功能的小鼠菌株可能被证明是理解和干预人类疾病的宝贵工具。对于人类综合征，过度活动mTORC1的主要小鼠模型是TSC1或TSC2的丢失(20-22). TSC缺乏小鼠在E9.5-11.5时死亡，mTORC1过度活跃，出现严重异常，由此产生的细胞发生衰老。成年小鼠TSC功能的条件性缺失再现了结节性硬化的大多数特征，包括神经元缺陷和癌症，以及其对mTORC1抑制剂雷帕霉素的反应。

本构RagA活性建模

鉴于最近发现了参与mTORC1营养依赖性调节的基因，小鼠模型刚刚开始。在最近的一份报告中，我们产生了一种具有组成性RagA活性的小鼠菌株(23). 我们在内源性RagA基因中引入了一个单核苷酸替换，使RagA蛋白序列中的氨基酸66发生Q到L的变化。这种点突变形式的RagA蛋白与GTP（RagA）组成性结合^{全球技术伙伴})并使我们在每个细胞中产生具有构成性营养依赖性mTORC1激活的小鼠。我们首先获得了MEF:RagA^+/+或者藏着一份RagA^{全球技术伙伴}等位基因（RagA^{全球技术伙伴/+})，并分析了这些细胞中的mTORC1活性。令我们惊讶的是，尽管突变等位基因表达正常，但RagA中mTORC1活性的调节^{全球技术伙伴/+}细胞是正常的，这表明野生型等位基因的存在在某种程度上补偿了RagA的作用^{全球技术伙伴}等位基因。这在小鼠组织中也同样适用。当我们穿越RagA^{全球技术伙伴/+}小鼠，RagA^{全球贸易计划/全球贸易计划}E13.5的胚胎尽管在培养中对氨基酸缺乏完全不敏感，但从宏观上看与RagA没有区别^+/+胚胎。这一结果与TSC1形成鲜明对比^-/-或TSC2^-/-胚胎在～E10.5时死亡，有严重异常，从胚胎中获得的细胞在培养中经历p53依赖性的快速衰老，到了几乎不可能培养这些细胞的地步。RagA公司^GTP/GTP细胞在与RagA的动力学相似的培养中增殖^+/+细胞。此外，RagA^{全球贸易计划/全球贸易计划}胚胎发育正常，出生时具有孟德尔比率和最小的表型缺陷。构成性生长因子依赖性激活（E10.5死亡和过早衰老）和营养依赖性激活mTORC1（正常胚胎发育）的不同结果可能是不同原因的基础。一种可能性是，必须准确检测胚胎发育过程中生长因子的振荡，并且胚胎中的细胞必须对其作出适当反应，而营养素的振荡则不会发生。如果在胚胎发育期间营养物质的跨膜供应被认为是稳定的，那么这种可能性似乎是合理的。此外，生长因子和营养素激活mTORC1的程度可能存在内在差异。的确，尽管RagA中的mTORC1活性^{全球贸易计划/全球贸易计划}小鼠和细胞对氨基酸提取不敏感，最大活性与RagA相当^+/+在氨基酸和生长因子存在下的细胞。这与TSC缺乏细胞中的mTORC1活性形成对比，后者显示最大mTORC2活性增加了几倍。这种差异可能是对发育中胚胎中TSC缺乏和RagA组成活性之间实质性差异的另一种解释。这是否与每种刺激的内在本质有关（调节募集与激酶激活）尚不清楚，但提出了一个问题，即TSC缺乏的小鼠和细胞（结节性硬化综合征的伟大模型）有多少模拟与mTORC1活性放松调节相关的生理状态，如营养过剩，2型糖尿病和衰老的早期阶段。

RagA的营养危机和死亡^GTP/GTP新生儿

尽管RagA几乎无法与野生型室友区分开来^{全球贸易计划/全球贸易计划}老鼠在出生的第一天就死了。正如预期的那样，母亲出生时营养物质供应中断会导致所有基因型小鼠的循环葡萄糖和氨基酸大幅下降，但mTORC1活性仅在野生型新生儿中降低，而在RagA中没有降低^{全球贸易计划/全球贸易计划}室友。这与mTORC1在调节空腹/进食反应中的关键作用一致(24). 剖腹产后长时间禁食，RagA^{全球贸易计划/全球贸易计划}新生儿无法从循环营养素的减少中恢复，并在～15小时内死于致命的低血糖。相反，RagA^+/+小鼠存活了～24小时，并通过调动体内能量来源来忍受其禁食状态，这反映在它们从最初的低血糖中恢复过来。糖原是出生后的关键能量来源，但RagA^{全球贸易计划/全球贸易计划}出生后，小鼠的糖原水平没有变化，摄入也没有受损。糖异生也很关键，但RagA^{全球贸易计划/全球贸易计划}当存在糖异生底物时，新生儿能够执行糖异生。由于小鼠出生时没有大量脂肪，它们依赖氨基酸作为糖异生的底物。因此，我们假设致命的低血糖是继发于作为糖异生底物的循环氨基酸减少。重要的是，游离氨基酸是自噬的主要产物，自噬在出生后立即触发，而自噬缺陷小鼠具有RagA中观察到的特征^{全球贸易计划/全球贸易计划}新生儿，包括早期死亡和循环氨基酸减少(25,26). 我们测试了RagA^{全球贸易计划/全球贸易计划}新生儿在出生后的自噬诱导方面受到损害，事实上，他们在诱导自噬的能力方面表现出明显的缺陷。因此，循环氨基酸减少，而糖异生氨基酸的减少未能促进大量糖异生，导致低血糖状态，一旦糖原储备耗尽，这种低血糖状态就会致命。这表明mTORC1上游的营养信号是哺乳动物自噬的关键调节器，一个令人惊讶的发现提供了培养细胞中描述的自噬多重调节器。

氨基酸以外的Rag GTPases

考虑到Rag GTPases通过氨基酸调节mTORC1激活^GTP/GTP尽管氨基酸水平显著降低，但新生儿的mTORC1活性仍然很高。出乎意料的是RagA中的mTORC1活性^{全球贸易计划/全球贸易计划}新生儿对严重低血糖也不敏感。这使我们考虑到Rag GTPases也可以通过葡萄糖水平调节mTORC1。事实上，拉加^{全球贸易计划/全球贸易计划}培养细胞对氨基酸剥夺、葡萄糖剥夺或葡萄糖和氨基酸的剥夺具有抵抗力。此外，葡萄糖和氨基酸的缺乏都会导致mTORC1在野生型细胞的细胞质中分散，但无论RagA中的氨基酸或葡萄糖水平如何，mTORC2都会组成性地被招募到溶酶体表面^{全球贸易计划/全球贸易计划}细胞。如前所述，葡萄糖调节了v-ATP酶与Ragulator复合体的物理相互作用，这与检测氨基酸和葡萄糖的机制相同。无论溶酶体营养素传感机械是独立检测这两种营养素，还是相反，它检测一种常见中间产物的水平，尚待进一步研究，但从概念上讲，这一发现暗示Rag GTPases作为mTORC1的全球营养调节器，传递有关细胞营养状态的全球信息。一些节点似乎汇聚到Rag GTPases中，因为抗高血糖药物双胍也调节Rag功能(27)以及α-酮戊二酸(28).

结束语

营养素调节mTORC1的蛋白质的发现开辟了一个新的研究领域，仍处于初级阶段。传感器的识别、溶酶体内向外感应与潜在细胞质感应的聚合机制、mTORC1上游Rag GTPase的额外作用以及为什么它们显示GTPase独特的二聚体性质，都是有待解决的未决问题。考虑到与PI3K-mTORC1基因缺陷相关的众多人类综合征，毫不奇怪，在更多的此类疾病中会发现Rag-mTORCl途径的参与。此外，如RagA中发生的营养感应放松管制^{全球贸易计划/全球贸易计划}新生儿几乎肯定与癌症、神经变性、糖尿病和衰老等人类疾病有关。更多的解除管制的营养感应小鼠模型肯定会教会我们受此途径严格调控的其他生理学方面，这些生理学方面可能与涉及生长因子的那些方面相似或不同。

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