mTOR：从生长信号整合到癌症、糖尿病和衰老

mTORC1和mTORC2的分子组成

mTOR是两种不同络合物的催化亚单位，称为mTOR络合物1（mTORC1）和2（mTORC 2）（在^5,6) (图1). 独特的辅助蛋白区分了这两种复合物：猛禽和利克特分别定义了mTORC1和mTORC2^7——9这些伴生物用作组装复合物、结合底物以及调节器的支架^{7,8,10——15}。这两种复合物中还存在其他独特成分：mTORC1包含负调控因子PRAS40^14,16，而mTORC2包含Protor和mSin1，这可能分别有助于复杂的组装和定位^{15,17——19}.mTORC1和mTORC2共享mLST8和最近确定的Deptor，它们分别起到积极和消极调节器的作用²⁰(图1). 生化和结构证据表明，mTORC1和mTORC2都可能作为二聚体存在^12,21.

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图1

mTOR和mTOR相互作用蛋白的结构域组织

A.mTORC1和mTORC2共享（mTOR、mLST8和deptor）和独特的组件。猛禽和PRAS40是mTORC1和rictor独有的，mSim1和Protor是mTORC2特有的。mTOR的域组织类似于其他PIKK家族成员的域组织。在N末端有一簇Huntingtin、延伸因子3、蛋白质磷酸酶2A和TOR1（HEAT）重复的亚单位，它们介导蛋白质-蛋白质相互作用。其次是FRAP、ATM和TRRAP（FAT）结构域、FKBP12-雷帕霉素结合（FRB）结构域（调节雷帕霉素的抑制作用）、丝氨酸/苏氨酸激酶催化结构域和C末端FATC结构域。mLST8高度保守；它的七个WD40结构域形成了一个调节蛋白质相互作用的β推进器。Deptor由一个串联的蓬乱的egl-10 pleckstrin（DEP）结构域组成，随后是一个单一的突触后密度95，圆盘大，闭塞小带-1（PDZ）结构域。猛禽的支架功能通过其蛋白结合域的组成反映出来；它由几个HEAT重复序列组成，然后是七个WD40主题，可能是在beta螺旋桨中排列的。尽管Rictor在mTORC2功能中起着关键作用，但它没有明确可识别的域或基序；同样，Protor缺乏可识别的域或基序，其功能有待澄清。

在酵母和哺乳动物中，雷帕霉素仅抑制mTORC1的活性，而不抑制mTORC 2的活性^9,22——25雷帕霉素与小蛋白FKBP-12结合，反过来，雷帕霉素-FKBP-12与猛禽结合的mTOR结合并抑制其，但不与猛禽结合的mTOR结合^9,22,26,27雷帕霉素可能通过使猛禽与mTOR分离来抑制mTORC1，从而限制mTOR对某些底物的接触^8,21更复杂的是，雷帕霉素长期治疗可抑制部分组织和细胞系中的mTORC2²⁸这种效应可能涉及mTOR细胞池在雷帕霉素-FKBP12复合物中的逐渐隔离，从而使其无法组装成mTORC2。

mTORC1的基底和作用

它参与的复合物决定了mTOR的底物特异性。mTORC1底物S6激酶1（S6K1）和eIF-4E结合蛋白1（4E-BP1）与mRNA相关并调节mRNA翻译起始和进展，从而促进蛋白质合成^29——31（在中审查³²) (图2a). 4E-BP1抑制mRNA翻译；当被mTORC1磷酸化时，它与eIF4E分离，允许后者将翻译起始因子eIF4G招募到大多数mRNA的5'端^30,33当S6K1被mTORC1磷酸化时，通过其磷酸化包括S6在内的多种底物的能力，S6K1是翻译起始和延伸的积极调节器³⁴，电子EF2K³⁵、SKAR³⁶、CBP80³⁷和eIF4B^36,38,39.

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图2

mTOR信号通路

mTORC1通过整合氨基酸（C）产生的营养信号、胰岛素和胰岛素样生长因子（D）传递的生长因子信号、通过AMP-活化激酶（AMPK）（E）作用的能量信号以及包括缺氧（F）和DNA损伤（G）在内的各种应激源，促进翻译（A）并抑制自噬（B）。第一级整合发生在结节性硬化综合征（TSC）水平。Akt和细胞外调节激酶（ERK）1/2磷酸化并抑制TSC，而AMPK、糖原合成酶激酶（GSK）3-β和缺氧因子REDD1激活它。溶酶体发生第二级整合：Rag GTPases（由p18/p14/MP1刺激器控制）将mTORC1补充到溶酶体表面以响应氨基酸；反过来，溶酶体募集使mTORC1与GTP结合的Rheb相互作用，Rheb是生长因子、能量和压力输入的终点。生长因子受体可能通过靠近质膜的Ras激活mTORC2，其中mTORC1可通过mS1与磷脂结合而被招募。由于其在磷酸化和激活Akt中的作用，mTORC2形成PI3K通路的核心成分。

核糖体的生物发生是高度能量密集型的，因此，它与细胞的能量状态紧密耦合。核糖体RNA（rRNAs）和核糖体蛋白质的合成均受到mTORC1的正向调节(图2a). mTORC1通过S6K1激酶活性上调rRNA聚合酶RNA PolI的转录活性^40,41在酵母中，转录因子Rrn3（哺乳动物中的TIF1）、FHL1和SFP1介导scTORC1下游核糖体RNA和蛋白质的转录^41——44.

自噬是细胞成分的受控自我分级，从单个蛋白质（微自噬）到整个细胞器（大自噬。自噬为细胞外营养素低期间的能量生产提供了重要的底物来源（参见⁴⁵). mTORC1积极抑制自噬，相反，抑制mTORC2（通过小分子或氨基酸提取）强烈诱导自噬^46,47在酵母中，Atg13的scTOR依赖性磷酸化破坏了对自噬体形成至关重要的Atg1-Atg13复合物⁴⁸类似地，mTORC1介导的磷酸化对哺乳动物Atg13和Atg1同源物、Atg13、ULK1和ULK2进行负调控^49,50(图2b). 然而，哺乳动物特异性自噬调节因子FIP200和Atg101也是mTORC1底物^51,52表明mTOR调控自噬的其他机制。

营养素调节mTORC1

氨基酸是蛋白质的组成部分，也用于合成DNA、葡萄糖和ATP。早期研究表明，培养细胞中的mTORC1信号绝对需要氨基酸，而其他激活刺激无法补偿氨基酸^13,62,63然而，mTORC1的氨基酸信号分子成分长期以来一直是个谜。我们现在知道，氨基酸通过小GTPase的Rag家族调节mTORC1^13,64(图2c). Rag GTPases是Rag A或B与Rag C或D的异二聚体；关键的是，异二聚体的两个成员具有相反的核苷酸负载状态。在缺乏氨基酸的情况下，RagA或RagB是GDP负载的，而RagC或RagD包含GTP，这是无活性的Rag构象。氨基酸导致Rag GTPase转换为活性构象，其中RagA或RagB负载GTP，RagC或RagD负载GDP。活性Rag异二聚体与猛禽发生物理相互作用，导致mTORC1聚集在Rag所在的晚期内体和溶酶体表面^13,64,65这种重定标可能使mTORC1与小GTPase Rheb相互作用，后者是受生长因子输入控制的mTORCl的一种基本激活剂^13,66,67。该模型已在酿酒酵母其中Rag GTPase同源物GTR1和GTR2与scTORC1在物理和遗传上相互作用^68——71然而，rheb同源物酿酒酵母对生命来说不是必需的，似乎在scTORC1上游不起作用⁷²因此，scTORC1调控的某些方面可能与后生动物不同，有待澄清。

Rag蛋白没有显示任何明显的膜靶向信号。然而，三个小分子p14、MP1和p18，统称为剃须刀，形成将Rag GTPases与溶酶体表面结合的分子支架。当刺激器基因失活时，Rag GTPases变为细胞质，mTORC1向溶酶体的募集失败，mTORC 1的氨基酸信号被阻断⁶⁵.

总之，这些发现为内膜在控制mTOR活性中的关键作用提供了越来越多的证据(方框2); 此外，他们认为mTORC1的亚细胞定位是其整合营养和生长因子信号的能力的基础(方框1).

生长因子调节mTORC1

多细胞生物依靠长距离通信来协调营养物质的分布和整个身体细胞群的生长。随着后生动物的出现，mTOR通路与生长因子（如胰岛素）启动的信号通路相连，胰岛素携带有关整个生物体营养状态的信息。生长因子向mTORC1发出信号的一个关键终点是小GTPase Rheb，当GTP负载时，它刺激mTORCl的激酶活性^14,66,67在后生动物中，大黄酸起着至关重要的作用，因为它的丢失消除了生长因子和营养素对mTORC1的激活。相反，Rheb的过度表达可以维持mTORC1活性，即使营养素和生长因子已经被提取(方框1).

生长因子如何调节瑞布的GTP负荷？胰岛素与其受体的结合激活磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）途径，从而导致Akt的磷酸化和活化。反过来，Akt磷酸化结节蛋白/TSC2，这是一种大蛋白，与hamartin/TSC1一起形成结节性硬化复合物（TSC）^73——75(图2d). TSC充当Rheb的GAP^76——79; 由于加载GDP的Rheb无法激活mTORC1，TSC有效地关闭了mTORC2信号^80,81.Akt介导的TSC2磷酸化抑制其对Rheb的GAP活性^82,83从而促进mTORC1的激活。Akt还磷酸化PRAS40，使其与14-3-3蛋白结合并阻止其抑制mTORC1^14,16,84此外，在正反馈回路中，mTOR磷酸化并抑制PRAS40^85,86.

生长因子可以通过PI3K-Akt轴的替代途径向mTORC1发出信号。例如，细胞外信号调节激酶（Erk）激活Ras-Raf-Erk轴下游的TSC1/2⁸⁷此外，Wnt通路与mTORC1信号转导有关^88,89糖原合成酶激酶3（GSK3）通过磷酸化TSC1/2作为mTORC1的负调控因子；Wnt通过抑制GSK激活mTORC1。

多种生长因子激活途径与TSC2的融合可能使mTORC1参与许多发育和生理过程。这得到了早期胚胎发育对mTORC1的绝对需求的支持^59,90,91.

能量和压力调节mTORC1

糖酵解和线粒体功能的化学抑制剂抑制mTORC1活性，表明mTORC2感知细胞能量^8,92mTORC1的能量传感至关重要，因为mTORC1-驱动的生长过程消耗了细胞能量的很大一部分，因此可能对饥饿的细胞有害。

糖酵解和线粒体呼吸将营养转化为能量，以ATP的形式储存，营养缺乏时，细胞ATP迅速下降。mTORC1途径通过以AMP-活化蛋白激酶（AMPK）为中心的机制间接感应低ATP（综述于⁹³) (图2e). AMP和ATP都是AMPK的变构调节剂：当AMP:ATP比率增加时，AMPK磷酸化TSC1/2，可能刺激其对Rheb的GAP活性^89,94,95此外，AMPK磷酸化猛禽，使其与14-3-3结合，从而通过变构机制抑制mTORC1⁹⁶.

许多应激源影响ATP水平，因此可能通过AMP-AMPK轴调节mTOR。缺氧期间，线粒体呼吸受损，导致ATP水平降低和AMPK激活（综述于⁹⁷). 缺氧还通过诱导REDD1/2基因的表达，以AMPK非依赖性的方式影响mTORC1，然后通过一种需要TSC1/2的机制抑制mTORC2^98,99(图2f). 相反，其他不主要通过AMPK影响细胞能量信号的压力源。DNA损伤通过p53依赖的AMPK上调导致mTORC1活性的抑制^95,100,101(图2g). Sestrin 1和2是与DNA损伤反应相关的p53的两个转录靶点。最近，研究表明，倍半萜能够有效激活AMPK，从而介导p53依赖性抑制DNA损伤后的mTOR活性¹⁰².

禁食和饥饿的mTOR

哺乳动物（包括人类）在有限的营养物质供应条件下进化而来，已经发展出惊人的能力，能够最大限度地利用可利用的能源，以应对短缺时期。

在禁食早期，血糖和氨基酸水平下降，导致循环胰岛素下降。此外，能量消耗和食物摄入之间的不平衡导致AMP:ATP比率增加。这些因子聚合为mTORC1的抑制输入，阻止能量密集型生物合成过程并上调宏观自噬¹⁰⁵.线粒体自噬降解（线粒体的自噬性降解）是一种直接的能量来源，其代价是营养密集型的长期ATP生成（参见¹⁰⁶). 自噬在生前的作用得到了很好的证明体内在ATG5基因缺失的小鼠中。出生后，胎盘营养供应的中断会立即导致能量短缺，这可以通过几个器官的自噬上调来弥补。缺乏ATG5的小鼠无法克服这种能量挑战，并在出生后一天内死亡¹⁰⁷.

在肝脏中，自噬的诱导导致线粒体、细胞质蛋白和储存的糖原同时循环。这种效果非常显著，小鼠肝脏在24小时禁食期内缩小到正常大小的30%左右。此外，在饥饿期间，白色脂肪组织（WAT）和肝脏动员脂质储存，将其转化为游离脂肪酸，供肝脏和肌肉通过β-氧化利用。最近的证据表明，在禁食期间，自噬体会隔离脂滴并将其分解为游离脂肪酸¹⁰⁸.自噬还介导肌肉中大量蛋白质的分解¹⁰⁵向血液中释放氨基酸。肝脏吸收这些氨基酸，尤其是丙氨酸，并将其转化为葡萄糖，然后将其输送到血液中。自噬释放的营养物质流反馈给mTORC1，导致其部分重新激活¹⁰⁹.

抑制mTORC1引起的线粒体功能改变也可能导致禁食反应。在限制营养素下激活4E-BP1D.黑腹果蝇导致编码线粒体呼吸链的mRNA选择性翻译¹¹⁰与提高ATP生产效率的尝试一致。此外，mTORC1通过与转录因子PGC-1α和YY1的三元复合物促进线粒体生物生成并增强呼吸¹¹¹因此，在饥饿期间抑制mTORC1在3个不同的水平上作用于线粒体功能：通过阻止新线粒体的合成，通过有丝分裂消除现有线粒体的一个子集，以及通过4E-BP1翻译程序提高现有线粒体的效率。

雷帕霉素作为以mTOR为中心的癌症治疗

mTOR的一种天然有效抑制剂雷帕霉素的存在似乎是癌症治疗的幸运一击。然而，迄今为止，雷帕霉素作为一种抗癌药物在临床试验中取得的有限成功令人失望。在这里，我们讨论了雷帕霉素的局限性，以及目前正在努力超越该药物，实现以mTOR为中心的有效癌症治疗。

基于雷帕霉素的治疗方法可能在S6K介导的反馈回路中遇到了障碍，导致PI3K信号的严重上调，并在mTORC1被抑制且无法激活S6K时，通过Akt和其他AGC激酶提供重要的促生存和增殖信号。此外，S6K抑制激活MEK-ERK信号级联¹³⁵以及血小板衍生生长因子受体（PDGFR）的转录¹³⁶这些环路抵消雷帕霉素的作用，降低其在癌症模型和患者中的有效性(图4b)^135,137（在中审查¹³⁸)这可能解释了为什么雷帕霉素在许多肿瘤中具有细胞抑制作用但没有细胞毒性。

而大剂量雷帕霉素或其长期给药可阻断某些细胞系中的mTORC2^28,139，雷帕霉素对mTORC1有很大的选择性。鉴于mTORC2，尤其是Akt作为肿瘤发生驱动因素的作用⁶¹，这是一个主要问题。此外，雷帕霉素并不抑制mTORC1的所有功能；值得注意的是，雷帕霉素仅短暂部分地影响4E-BP1磷酸化^{47,139——142}因此，雷帕霉素通过抑制S6K1-IRS1反馈回路和过度激活PI3K-AKT通路，最终可能刺激4E-BP1磷酸化，并可能刺激mTORC1的其他促肿瘤功能。这两个主要缺点促使人们寻找第二代mTOR功能抑制剂。

mTOR与细胞老化

细胞衰老可能源于代谢副产物、外源性化学物质和电离辐射的累积作用以及有序退化随机过程。为了应对这些混乱和损伤源，细胞依赖于救援过程，要么尝试修复受损分子（如DNA修复），要么调节其清除（如自噬和蛋白酶体降解）。

mTORC1的抑制既可以对抗损伤源，又可以增强修复机制(图5a). 抑制mTORC1及其翻译可延长酵母、蠕虫和苍蝇的寿命^163——166减少翻译可能会对蛋白质折叠系统产生较小的需求，从而减少错误折叠蛋白质聚集体的副产品。因此，在亨廷顿舞蹈症小鼠模型中延长雷帕霉素治疗减少了毒性亨廷顿蛋白聚集体的形成¹⁶⁷.

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图5

老化中的mTOR

A.mTORC1促进细胞老化的调节过程。mTORC1依赖性翻译可能克服细胞的蛋白质折叠能力，导致未折叠蛋白质的积累和内质网应激。线粒体功能的刺激可能会增加活性氧的产生，导致DNA、蛋白质和膜的氧化损伤。mTORC1抑制自噬可减少细胞成分的周转并促进其受损形式的积累（红色）。

B.mTORC1促进干细胞衰竭和组织老化。在年轻组织中，干细胞不对称分裂，生成新的干细胞和有丝分裂后的细胞，以取代那些经历更替的细胞（左）。持续接触通过mTORC1发出信号的有丝分裂原会导致干细胞过度增殖或衰老而衰竭（右）；因此，在老化组织中，有丝分裂后的细胞不再被替换，组织的整体性能降低。

C.通过各种方式抑制mTORC1活性可以延长多种生物体的寿命，并可能对人类衰老产生有益影响。

寿命延长也可以解释为mTORC1抑制后自噬增加。几乎所有的蠕虫和苍蝇协议都要求自噬以延长寿命^159,168,169有趣的是，LAMP2A的表达随着年龄的增长而下降，它介导伴侣介导的自噬，导致肝细胞老化¹⁷⁰.DR和雷帕霉素促进自噬途径，可能弥补其年龄依赖性下降。

有趣的是，抑制mTORC1可能导致发挥保护功能的基因翻译增加。在最近的一份报告中，DR在D.黑腹果蝇导致线粒体电子传递链的几个组成部分的翻译增加¹¹⁰这种选择性上调导致线粒体呼吸改善。人们可能会推测，ROS生成量的减少会减少细胞损伤。

最后，mTORC1的抑制可能导致与寿命调节相关的特定基因表达程序的激活；转录因子Gis-1在scTOR下游调控应激反应程序酿酒酵母寿命¹⁷⁰.