生长控制和疾病中的mTOR信号

摘要

介绍

大多数生物进化出了在合成代谢和分解代谢状态之间有效过渡的机制，使它们能够在营养物质可利用性可变的环境中生存和生长。在哺乳动物中，这种机制的一个例子是由蛋白激酶mTOR（最初称为“哺乳动物TOR”，但现在正式称为“机械性TOR”）锚定的信号网络。这一途径对不同的环境线索作出反应，控制着许多产生或使用大量能量和营养物质的过程。越来越明显的是，mTOR信号影响大多数主要的细胞功能，使其在调节基本细胞行为如生长（大量积累）和增殖方面发挥了巨大的作用。由于mTOR放松调控发生在人类疾病中，包括癌症、肥胖、2型糖尿病和神经退行性变，因此正在进行重大的药理学研究，以确定该途径的靶点。在这里，我们回顾了我们目前对mTOR通路及其在健康和疾病中的作用的理解，并讨论了调节mTOR活性的药理方法。

mTOR通路综述

mTOR是一种名为雷帕霉素或西罗莫司的分子的靶向物，该分子是由嗜湿链霉菌细菌，这首先因为其广泛的抗增殖特性而受到关注。20世纪90年代初，对芽殖酵母进行基因筛选，确定TOR1和TOR2基因是雷帕霉素对酵母毒性作用的介体(Cafferkey等人，1993年;Kunz等人，1993年). 不久之后，哺乳动物的生物化学方法导致了mTOR的纯化，并发现它是雷帕霉素的物理靶点(Brown等人，1994年;Sabatini等人，1994年;Sabers等人，1995年). mTOR是一种非典型的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，属于磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）相关激酶家族，与多种蛋白质相互作用形成两种不同的复合物，分别命名为mTOR复合物1（mTORC1）和2（mTORC 2）。含mTOR的复合物对雷帕霉素以及上游输入和下游输出具有不同的敏感性(图1，顶部面板）。

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图1

mTORC1和mTORC2概述

mTOR激酶使两种不同的蛋白质复合物成核，称为mTORC1和mTORC2。mTORC1对氨基酸、应激、氧气、能量和生长因子有反应，对雷帕霉素极为敏感。它通过分别诱导和抑制合成代谢和分解代谢过程来促进细胞生长，并推动细胞周期进展。mTORC2对生长因子作出反应，调节细胞存活和代谢以及细胞骨架。mTORC2对急性雷帕霉素治疗不敏感，但长期接触该药物会破坏其结构。中间面板描述了构成mTOR复合物的蛋白质组分的已知功能，底部面板示意性地描述了它们的相互作用位点。有关蛋白质完整名称的详细信息，请参阅文本和缩写列表。

两种mTOR复合物都是大的，其中mTORC1具有六种已知蛋白质组分，mTORC2具有七种已知蛋白质组分。它们共享催化mTOR亚单位，也与sec-13（mLST8，也称为GβL）具有哺乳动物致死性(哈辛托等人，2004年;Kim等人，2003年)，含DEP结构域的mTOR相互作用蛋白（DEPTOR）(Peterson等人，2009年)和Tti1/Tel2复合体(Kaizuka等人，2010年). 相反，哺乳动物雷帕霉素靶标的调节相关蛋白（猛禽）(Hara等人，2002年;Kim等人，2002年)和富含脯氨酸的Akt底物40kDa（PRAS40）(Sancak等人，2007年;Thedieck等人，2007年;Vander Haar等人，2007年;Wang等人，2007年)对mTORC1特异，而雷帕霉素对mTOR（rictor）不敏感(哈辛托等人，2004年;Sarbassov等人，2004年)，哺乳动物应激激活的map激酶相互作用蛋白1（mSin1）(Frias等人，2006年;哈辛托等人，2006年)以及用rictor 1和2观察到的蛋白质（protor1/2）(Pearce等人，2007年;Pearce等人，2011年;Thedieck等人，2007年)只是mTORC2的一部分。图1描述了mTOR复合物组分的已知分子功能以及它们之间的相互作用位点（中间和底部面板）。

如后文所述，雷帕霉素对mTOR信号传导的影响比最初预期的要复杂得多，令人惊讶的是，在发现mTOR将近20年后，我们对其作用机制的理解仍在不断发展。然而，很明显，雷帕霉素与细胞内12-kDa FK506结合蛋白（FKBP12）形成一种功能增强复合物(Brown等人，1994年;Sabatini等人，1994年). 当mTORC1而非mTORC2的一部分时，该复合物直接与mTOR相互作用并抑制mTOR。许多mTORC1功能对雷帕霉素高度敏感，但FKBP12-雷帕霉素与mTORC2的结合如何抑制其活性尚不清楚。雷帕霉素可能损害mTORC1的结构完整性(Kim等人，2002年;Yip等人，2010年)以及变构降低其激酶结构域的比活性(Brown等人，1995年;Brunn等人，1997年;伯内特等人，1998年).

mTORC1上游调节器

mTORC1是两种mTOR复合物中更好的特征，该途径分支的一个显著特征是其感知的上游信号的数量和多样性。mTORC1通路整合了至少五种主要细胞内和细胞外信号的输入——生长因子、应激、能量状态、氧气和氨基酸——以控制许多主要过程，包括蛋白质和脂质合成和自噬。由结节性硬化症1（TSC1；也称为hamartin）和TSC2（也称为tuberin）组成的异二聚体是mTORC1的关键上游调节因子，并作为富含脑（Rheb）GTPase的Ras同源物的GTPase激活蛋白（GAP）发挥作用。Rheb的GTP结合形式直接与mTORC1相互作用，并强烈刺激其激酶活性。作为Rheb GAP，TSC1/2通过将Rheb转化为其非活性GDP结合状态来负调控mTORC1(Inoki等人，2003a;Tee等人，2003年). 迄今为止，没有可靠证据表明Rheb存在鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）。

TSC1/2传输许多影响mTORC1的上游信号(图2A)包括刺激PI3K和Ras通路的生长因子，如胰岛素和胰岛素样生长因子1（IGF1）。这些途径的效应激酶——蛋白激酶B（Akt/PKB）、细胞外信号调节激酶1/2（ERK1/2）和核糖体S6激酶（RSK1）——直接磷酸化TSC1/TSC2复合物使其失活，从而激活mTORC1(Inoki等人，2002年;Ma等人，2005年;Manning等人，2002年;波特等人，2002年;Roux等人，2004年). Akt还通过磷酸化和导致mTORC1抑制剂PRAS40与猛禽分离，以TSC1/2非依赖方式向mTORC2发出信号(Sancak等人，2007年;Thedieck等人，2007年;Vander Haar等人，2007年;Wang等人，2007年). 促炎细胞因子，如肿瘤坏死因子-α（TNFα），通过与生长因子概念上类似的机制激活mTORC1：IκB激酶β（IKKβ）磷酸化TSC1，导致TSC1/2抑制(Lee等人，2007年). 最后，典型Wnt通路是细胞生长、增殖、极性、分化和发育的主要调节因子，也通过TSC1/2激活mTORC1。在这种情况下，Wnt信号抑制糖原合成酶激酶3β（GSK3-β），后者通常磷酸化并促进TSC2活性(Inoki等人，2006年).

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图2

mTOR信号通路

（A） 调节mTORC1和mTORC2的关键信令节点。

（B） mTORC1和mTORC2通路的关键输出。

详见正文。有关蛋白质完整名称的详细信息，请参阅文本和缩写列表。

与mTORC1的生长因子输入一样，许多应激也通过TSC1/2起作用，其中能量和氧气水平低以及DNA损伤是最典型的特征。腺苷一磷酸活化蛋白激酶（AMPK）对低氧或低能状态作出反应，磷酸化TSC2并增加其对Rheb的GAP活性(Inoki等人，2003b). 与Akt一样，AMPK也直接与mTORC1通信；磷酸化猛禽，导致14-3-3结合和变构抑制mTORC1(Gwinn等人，2008年). 缺氧还诱导DNA损伤反应1（REDD1）转录调控的表达，该转录调控以一种尚不清楚的方式激活TSC2功能(Brugarolas等人，2004年;DeYoung等人，2008年;Reiling和Hafen，2004年). DNA损伤还通过多种机制向mTORC1发出信号，所有这些机制都需要p53依赖性转录。DNA损伤诱导Tsc2型和10号染色体上缺失的磷酸酶和张力蛋白同源物(Pten），导致整个PI3K-mTORC1轴的下调(Feng等人，2005年;Stambolic等人，2001年)并通过一种机制激活AMPK，该机制依赖于塞斯特林1/2(布达诺夫和卡林，2008年). 鉴于如此多的信号通过TSC1/2调节mTORC1，令人惊讶的是，我们仍然不知道TSC1/2如何在分子水平上整合输入来控制其对Rheb的GAP活性。此外，尚不清楚某些输入是否占主导地位，以及是否存在依赖细胞类型的调节机制。

氨基酸，尤其是亮氨酸和精氨酸，也能激活mTORC1，并且必须存在于任何上游信号中，包括生长因子，才能激活mTORC 1(Blommaart等人，1995年;Hara等人，1998年). 虽然人们已经知道氨基酸独立于TSC1/2起作用(Smith等人，2005年)mTORC1感应细胞内氨基酸的分子机制仍然是mTOR领域的一大谜团。2008年，两个小组独立发现mTORC1的氨基酸依赖性激活需要Rag GTPases(Kim等人，2008年;Sancak等人，2008年). 哺乳动物有四种Rag蛋白，即RagA到RagD，它们形成由RagA或RagB与RagC或RagD组成的专性异二聚体(图2A). 异二聚体的两个成员似乎具有相反的核苷酸负载状态，因此当RagA/B与GTP结合时，RagC/D与GDP和反之亦然通过一种未知的机制，氨基酸促进RagA/B与GTP的负载，从而使异二聚体与mTORC1的猛禽成分相互作用(Sancak等人，2008年). 这种相互作用导致mTORC1从一个特征不佳的细胞质位置转移到溶酶体表面，Rag GTPases在那里停靠在一个叫做Ragulator的多亚单位复合体上(Sancak等人，2010年). 与Rag GTPase一样，Ragulator对氨基酸激活mTORC1至关重要。

为什么mTORC1易位到溶酶体表面导致其活化？目前的一种模型假设，在溶酶体表面，mTORC1可以与Rheb结合并被其激活，Rheb在整个内膜系统中都存在。因此，Rag和Rheb GTPase是分子and门的一部分：当氨基酸敏感的Rag-Ragulator机制将其带到溶酶体表面时，负载GTP的Rheb仅与mTORC1相互作用，从而确保无论是否存在其他阳性信号，只有当氨基酸可用时，才会激活mTORC1。

Ragulator和Rag GTPases定位于溶酶体表面，但不位于Rheb也存在的其他内膜上，这表明该细胞器在mTORC1途径的氨基酸传感中起着重要作用。最近的工作提出了由内而外氨基酸感应模型，其中氨基酸积累在溶酶体腔中，并通过需要液泡H的机制启动信号传递⁺-三磷酸腺苷ATP酶（v-ATP酶）(Zoncu等人，2011年). v-ATP酶亚基的耗竭阻断了氨基酸诱导的mTORC1向溶酶体表面的募集和下游信号传导。v-ATP酶直接与Ragulator相互作用，在溶酶体表面的v-ATP酶和Rag GTPase之间提供物理联系(图2A). v-ATP酶的ATP酶活性及其V0段的相关旋转似乎对将氨基酸信号从溶酶体腔传递到Ragulator和Rag GTPase至关重要，但v-ATP酶如何起作用尚不清楚。有趣的是，mTORC1通路调节v-ATP酶的表达，表明mTORC2和溶酶体功能之间存在反馈回路(Duvel等人，2010年;Pena-Llopis等人，2011年).

多年来，许多其他蛋白质与mTORC1的氨基酸传感有关，包括丝裂原活化蛋白激酶激酶激酶（MAP4k3）(芬德利等人，2007年)，哺乳动物液泡蛋白排序34同源（hVPS34）(Nobukuni等人，2005年)和肌醇多磷酸单激酶（IPMK）(Kim等人，2011年)这些分子是否以及如何连接到Rag-Ragulator系统尚不清楚。MAP4k3可能位于Rag GTPases的上游(Yan等人，2010年)但它是否与他们互动尚不清楚(Bryk等人，2010年;Yan等人，2010年).

最后，磷脂酸（PA）也被鉴定为mTORC1的激活剂(Fang等人，2001年). 尽管PA在调节mTOR中的作用存在争议，但一些报告表明外源性PA或磷脂酶D1（PLD1）和PLD2等PA产生酶的过度表达显著增加了mTORC1的活性（参见(福斯特，2009年)). PA至少部分通过稳定mTOR复合物来激活mTOR信号(Toschi等人，2009年).

mTORC2信令网络概述

由于雷帕霉素的急性治疗不会干扰mTORC2信号传导，并且FKBP12雷帕霉素不能与完整的mTORC2结合，因此这种复合物最初被认为对雷帕霉素不敏感(哈辛托等人，2004年;Sarbassov等人，2004年). 然而，情况变得更加复杂，因为雷帕霉素长期治疗会降低某些但不是所有细胞类型的mTORC2信号，并且是通过抑制mTORC1组装来实现的(Phung等人，2006年;Sarbassov等人，2006年). 为什么mTORC2组合对雷帕霉素的敏感性具有细胞类型特异性尚不清楚。

与mTORC1相比，对mTORC2途径的了解要少得多。mTORC2信号对营养物质不敏感，但确实通过一种需要PI3K的机制对胰岛素等生长因子作出反应。一种潜在的机制涉及核糖体的新作用，因为核糖体是mTORC2激活所必需的，并且mTORC2以PI3K依赖的方式与它们结合(Zinzalla等人，2011年).

mTORC2控制AGC激酶亚家族的几个成员，包括Akt、血清和糖皮质激素诱导的蛋白激酶1（SGK1）和蛋白激酶C-α（PKC-α）(图2). Akt通过几种效应物的磷酸化调节细胞过程，如代谢、存活、凋亡、生长和增殖。mTORC2通过磷酸化Akt的疏水基序（Ser473）直接激活Akt，这是Akt最大激活所需的位点(Sarbassov等人，2005年). 与mTORC2缺失相关的Akt-Ser473磷酸化缺陷会损害一些Akt靶点的磷酸化，包括叉头盒O1/3a（FoxO1/3a），而其他Akt靶标，如TSC2和GSK3-β仍然不受影响(Guertin等人，2006年;哈辛托等人，2006年). 事实上，缺乏mTORC2的细胞中Akt活性并没有完全消除，这可能解释了这些结果。mTORC2还直接激活SGK1，一种控制离子运输和生长的激酶(Garcia-Martinez和Alessi，2008年). 与Akt相反，SGK-1活性完全被mTORC2的缺失所阻断。由于SGK1控制Akt磷酸化残基上的FoxO1/3a磷酸化，SGK1活性的丧失可能是mTORC2缺失细胞中FoxO1/3磷酸化减少的原因。PKC-α是mTORC2激活的第三个AGC激酶。与其他效应物如paxilin和Rho GTPases一起，mTORC2激活PKC-α通过影响肌动蛋白细胞骨架以细胞类型特异的方式调节细胞形状(哈辛托等人，2004年;Sarbassov等人，2004年) (图2B).

mTOR信号在癌症中的作用

一些观察结果支持mTOR通路在癌症发病机制中的重要性。PI3K信号通路的许多组成部分，位于mTORC1和mTORC2的上游(图2)，在人类癌症中变异(图2A). 此外第53页，一种在癌症中非常常见的事件，促进mTORC1的激活(Feng等人，2005年). 此外，一些家族性癌症综合征是由mTOR复合物上游编码蛋白质的基因突变引起的，包括Tsc1/2型,丝氨酸苏氨酸激酶11(磅1）,铂族、和1型神经纤维瘤病(Nf1）(图2). mTOR信号的致癌激活诱导癌细胞生长、存活和增殖所需的几个过程(图3A).

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图3

mTOR与癌症的关系

（A） mTOR信号促进肿瘤发生。表明与mTOR信号控制有关的癌基因（红色）或抑癌基因（绿色）。星号（*）表示目前用于癌症治疗的蛋白质。

（B） mTORC1控制许多调节RTK-PI3K信号的负反馈回路。

（C） 雷帕霉素对mTORC1的抑制降低了RTK信号传导的负反馈回路的强度，这促进了PI3K的激活和细胞存活。由于rapalogs仅部分抑制4E-BP1磷酸化，因此其对eiF4E介导的蛋白质翻译的影响有限。

（D） 通过完全阻断mTORC1，mTOR激酶抑制剂强烈抑制4E-BP1/eIF4E轴和蛋白质合成。此外，mTOR激酶抑制剂可以通过阻断mTORC2介导的Akt磷酸化来影响细胞存活和增殖。mTOR激酶抑制剂引起的RTK-PI3K-PDK1活性升高可能会重新激活Thr308上的Akt磷酸化，这可能足以驱动细胞存活。

（E） 双PI3K/mTOR抑制剂阻断PI3K、mTORC1和mTORC2通路的所有已知输出。

有关蛋白质完整名称的详细信息，请参阅文本和缩写列表。

越来越多的证据表明，在4E-BP1/eIF4E水平上，mTORC1下游的蛋白质合成被解除调控，在肿瘤形成中起着核心作用。4EBP1/2的缺失和cap依赖性翻译的伴随激活促进细胞周期进展和细胞增殖在文化上(Dowling等人，2010年). 4E-BP1/eIF4E还介导致癌Akt信号对mRNA翻译、细胞生长和肿瘤进展的影响(谢等人，2010年). 有趣的是，S6K1和S6对ERK和/或Akt致癌作用的贡献似乎有限，这表明控制mTORC1下游蛋白合成的信号传导分支在肿瘤发生中并非同等必要(谢等人，2010年;她等人，2010年). 目前尚不清楚mTORC1/4E-BP1/eIf4E轴是如何导致癌症的。人们认为，eiF4E通过促进编码原癌蛋白的特定mRNA的翻译来影响细胞增殖和肿瘤发生，这些mRNA调节细胞生存、细胞周期进展、血管生成、能量代谢和转移。此外，与mTOR激活相关的核糖体生物生成增加可能通过提供维持高水平细胞生长所需的机制来促进细胞增殖。

增加从头开始脂质合成是癌细胞增殖的标志（综述于(Menendez和Lupu，2007年))这些细胞必须产生脂肪酸才能合成膜。PI3K信号转导促进前基因因子SREBP1的激活，并且需要mTORC1将致癌/生长因子信号转导至SREBP1(Duvel等人，2010年). SREBP1还驱动磷酸戊糖途径氧化分支成分的表达，该途径分别控制脂肪生成和核苷酸生物合成所需的还原当量和核糖-5-磷酸的产生(图3A) (Duvel等人，2010年). 与SREBP1/2缺失相关的细胞增殖抑制Tsc2型空细胞表明mTORC1驱动的细胞增殖需要SREBP1/2控制的转录程序。

癌细胞中PI3K-mTORC1信号的组成性激活强烈抑制自噬。这种自噬损伤如何影响癌症尚不清楚。自噬在肿瘤发生中是一把双刃剑，既是肿瘤抑制剂，又是癌细胞生存的保护者。缺乏自噬机制基本成分的小鼠加快了自发肿瘤的发展速度（在(Yang和Klinsky，2010年)). 自噬缺陷细胞积累蛋白质聚集体、受损线粒体和活性氧物种，这些被认为会促进DNA损伤和肿瘤发生。相反，一些证据表明，抑制自噬可能通过降低癌细胞在营养/能量贫乏条件下的生存能力而损害肿瘤发生。例如，Tsc2型和磅1空细胞对能量剥夺诱导的凋亡非常敏感(Inoki等人，2003b;Shaw等人，2004年). 自噬在介导mTORC1激活对癌症的影响中的作用可能是特定的，自噬对最初预防癌症很重要，但在肿瘤建立时需要保护细胞。

也有新的证据表明mTORC2在癌症中起作用。许多胶质瘤过度表达mTORC2亚单位rictor，其强制过度表达促进了mTORC1的组装和活性，并使癌细胞具有更高的增殖和侵袭潜能(Hietakangas和Cohen，2008年;Masri等人，2007年). 在小鼠中，肿瘤抑制因子PTEN的缺失导致前列腺癌的发生需要mTORC2功能(Guertin等人，2009年). 这些结果支持了mTORC2在促进肿瘤发生中的重要作用，并表明旨在降低该复合物活性的策略可能具有抗癌治疗的作用。然而，目前还没有一种药理学方法可以在不影响mTORC1的情况下抑制mTORC2，而且这两种复合物共享相同的催化域，这使得开发mTORC2-specific抑制剂的前景令人望而却步。

组织中mTOR信号传导及其在代谢性疾病中的作用

在哺乳动物中，禁食和进食状态之间的转换会影响营养物质和生长因子的循环量。反过来，这些变化决定了组织的代谢方向是合成代谢还是分解代谢。例如，高水平的营养素和生长因子会促进肌肉和肝脏中的糖原合成、脂肪组织中的脂质摄取，同时减少肌肉中的蛋白质分解、肝脏中的糖异生和脂肪组织中脂肪分解。由于mTOR途径对营养素和生长因子水平作出反应，因此在过去几年中，它在调节新陈代谢中的作用一直备受关注。

理解mTOR在调节代谢中的作用体内由于该途径关键成分在小鼠体内的全身失活会导致胚胎死亡，因此受到了限制(Gangloff等人，2004年;Guertin等人，2006年;哈辛托等人，2006年;村上等人，2004年;Shiota等人，2006年;Yang等人，2006年). 使用编码mTOR通路成分的基因的条件无效等位基因，已开始揭示该通路在控制各种组织代谢中的新功能。下一节回顾了将mTOR与组织代谢联系起来的现有知识，重点介绍了该途径在代谢性疾病（如肥胖、非酒精性脂肪肝、胰岛素抵抗和2型糖尿病）发生中的作用。

大脑中的mTOR——调节能量平衡

下丘脑是大脑的一个重要区域，它整合来自循环营养素（葡萄糖、氨基酸、脂质）和激素（瘦素、胰岛素）的信号来控制能量平衡。尤其是下丘脑弓状核（ARC）是控制能量平衡和影响肥胖发展的复杂网络中的关键节点。mTORC1在ARC中很活跃，脑室内给大鼠注射亮氨酸或瘦素可促进mTORC2活性，并以雷帕霉素敏感的方式减少食物摄入(Cota等人，2006年) (图4D). mTORC1通过一种涉及S6K1的不明确机制，通过促进下丘脑中促食欲神经肽Y（NPY）和促食欲相关肽（AgRP）的表达来减少食物摄入(Blouet等人，2008年;Cota等人，2008年). 总之，这些结果突出了下丘脑mTORC1信号轴在营养素和激素对能量平衡的中央调节中的重要性。

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图4

mTOR信号与代谢

mTOR信号在正常（左侧）或肥胖/营养过剩状态（右侧）组织代谢调节中的作用。

（A） 在下丘脑，mTORC1激活通过一种涉及S6K1的不明确机制降低食欲肽（NPY，AgRP）的表达。高脂肪饮食会降低瘦素和胰岛素促进mTORC1活性和减少食物摄入的能力。

（B） 在脂肪组织中，mTORC1的激活通过激活PPAR-γ来促进脂肪生成。mTORC2-Akt活化可减少脂肪分解并促进葡萄糖摄取。高循环营养素和细胞因子促进肥胖症患者的mTORC1活性，其通过各种机制抑制胰岛素信号传导并引起胰岛素抵抗（IR）。

（C） 在肌肉中，mTORC1在调节蛋白质合成、线粒体生物生成和氧化代谢方面起着关键作用。肌肉收缩增加mTORC1活性。mTORC2-Akt激活诱导葡萄糖摄取并阻止蛋白质分解代谢。与脂肪组织类似，肥胖/营养过剩导致mTORC1活性升高，从而阻断胰岛素信号传导。mTORC2-Akt作用的减少促进蛋白质分解代谢并减少葡萄糖摄取，从而导致肌肉质量损失和全身IR。

（D） 在肝脏中，mTORC1激活通过抑制PPAR-α活性来减少酮体生成。mTORC1还通过激活SREBP1促进肝脏脂肪生成。或者，mTORC2-Akt阻断FoxO1活性和糖异生激活。肥胖症/过度喂养时，肝脏mTORC1活性升高，从而促进肝脏IR、无限制的糖异生和高血糖。

（E） 在胰腺中，mTORC1通过促进β细胞生长和增殖来调节β细胞质量。mTORC1对胰岛素的产生/分泌也很重要。mTORC2-Akt轴通过促进增殖和存活积极影响β细胞质量。肥胖/营养超载导致β细胞中mTORC1活性升高。mTORC1的持续激活通过抑制Akt信号最终导致β细胞凋亡。β细胞的丢失有利于糖尿病的进展。

高脂肪饮食和肥胖损害了胰岛素和瘦素的中枢性厌食作用，这可能通过放松能量平衡控制来促进肥胖（综述于(科塔，2009年)). 有趣的是，与高脂肪饮食相关的营养过剩阻碍了瘦素激活下丘脑mTORC1和减少食物摄入的能力(图4A)(Cota等人，2008年). 这一发现支持了以下可能性：mTORC1信号的放松调节可能通过促进对厌食信号的抵抗和促进暴露于高脂肪饮食后的过度吞咽而在肥胖的发展中发挥作用。另一个有趣的可能性是，影响下丘脑中mTORC1活性的遗传倾向可能通过调节能量平衡的控制直接导致肥胖/瘦削。这种倾向是否存在尚不清楚。

mTOR抑制剂治疗代谢性疾病

由于肥胖小鼠和人类组织中mTORC1的慢性激活似乎在胰岛素抵抗和2型糖尿病的发展中起作用，雷帕霉素改善代谢参数的潜力已在多种动物模型中进行了测试。出乎意料的是，用雷帕霉素治疗啮齿动物会导致代谢状况的严重恶化。雷帕霉素降低脂肪组织大小和β细胞质量/功能，导致高脂血症、严重胰岛素抵抗、葡萄糖不耐受，并促进肝脏糖异生。(Aggarwal等人，2006年;坎宁安等人，2007年;Fraenkel等人，2008年;Houde等人，2010年) (图5A). 在长期使用雷帕霉素治疗的人类中也观察到代谢谱受损（参见(史泰龙等人，2009年)). 许多原因可以解释雷帕霉素在改善胰岛素敏感性和糖/脂稳态方面的无效性体内首先，mTORC1的慢性抑制调节许多可能维持组织功能所需的关键过程（即蛋白质合成、自噬、线粒体功能/生物生成）。在这种情况下，与mTORC1/S6K1到IRS的负反馈回路减少相关的任何积极影响都可能由于系统代谢失调而消失。一项新的研究还表明，慢性雷帕霉素治疗至少通过破坏mTORC2的完整性和阻断mTORC2-Akt抑制肝糖异生的能力，损害了全身胰岛素敏感性(Lamming等人，2012年-出版). 虽然使用雷帕霉素体内由于雷帕霉素会恶化全身代谢，因此有理由认为亚最佳剂量的雷帕霉素可以通过使mTORC1正常化而非完全抑制，从而改善肥胖情况下的代谢(图5B). 该策略还可以限制高剂量雷帕霉素对mTORC2-Akt的抑制。根据同样的理由，抗糖尿病药物二甲双胍可能通过部分抑制mTORC1信号而改善代谢状况，二甲双胍的作用被认为是负向调节mTORC2的作用。最后，抑制mTORC1下游的S6K1可能是另一种有趣的方法，可以在没有太多副作用的情况下提高胰岛素敏感性。最近可使用一种新的特异性S6K1抑制剂来测试这种可能性(Pearce等人，2010年).

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图5

雷帕霉素与代谢性疾病的治疗

（A） 雷帕霉素对器官和全身代谢的影响综述。雷帕霉素通过损害肌肉、肝脏、脂肪组织和胰岛β细胞的功能而诱发糖尿病样综合征。下调的过程为红色，上调的过程为绿色。

（B） mTORC1激活与胰岛素敏感性/代谢谱之间的假设关系的说明体内mTORC1活性与胰岛素敏感性/代谢曲线之间的关系可能呈U型曲线，其中mTORC2活性过少或过多会对全身代谢产生负面影响。

迄今为止，mTOR激酶抑制剂对组织代谢和糖/脂稳态的慢性影响尚未得到广泛测试。一项研究报告了用mTOR激酶抑制剂AZD8055治疗的小鼠血糖升高(Chresta等人，2010年)表明这些抑制剂也可能损害新陈代谢。考虑到这些分子在阻断mTOR和Akt信号传导方面比雷帕霉素好得多，预计mTOR激酶抑制剂对系统代谢有负面影响。

mTOR信号在神经退行性变中的意义

神经退行性疾病，如帕金森病、阿尔茨海默病、亨廷顿病、肌萎缩侧索硬化症和额颞叶痴呆，都与神经元结构和功能的永久性丧失有关。遗传易感性和年龄是这些疾病的主要危险因素，其中许多疾病共同的一个关键病理特征是有毒蛋白质聚集体（也称为内含物）的积累。神经元无法清除突变和/或错误折叠的蛋白质，导致它们聚集并导致细胞损伤，最终导致细胞死亡。

许多证据表明，细胞内蛋白质降解途径如自噬和泛素蛋白酶体系统在神经退行性疾病中被解除调控，并可能在这些疾病的病因中发挥关键作用（综述于(鲁宾斯坦，2006年)). 由于mTORC1信号被认为是自噬的最重要调节因子，其在神经退行性疾病中的意义在过去十年中得到了深入研究。自噬是清除各种易聚集蛋白的主要降解途径，自噬激活缺陷在许多神经退行性疾病中很常见。此外，基本自噬基因的缺失附件5或附件7在小鼠的中枢神经系统中，即使没有任何与疾病相关的突变蛋白，也会促进多泛素化蛋白的积累和神经退化(Hara等人，2006年;小松等人，2006年). 这些最后的观察结果支持自噬对神经细胞的生存至关重要的观点，并且自噬的损伤与神经退行性疾病的发病机制有关。有趣的是，雷帕霉素对mTORC1的抑制促进了聚集倾向蛋白的自噬降解在体外并减轻一些体内模型（在中审查(Sarkar和Rubinsztein，2008年)). 有趣的是，雷帕霉素还通过减缓蛋白质合成来减少错误折叠蛋白质的聚集，这表明mTORC1信号的其他下游效应器可能在这些病理的发展中发挥作用(King等人，2008年).

在这种情况下，新一代mTOR激酶抑制剂的出现非常令人兴奋，因为这些新工具将有助于阐明mTOR信号在神经退行性变中的作用。考虑到mTOR激酶抑制剂在促进自噬方面比第一代rapalogs更有效(Thoreen等人，2009年)和阻止蛋白质合成(Thoreen等人，2009年;Yu等人，2009年)我们有理由相信，这些分子可以更有效地治疗与蛋白质聚集体形成/积累相关的疾病。从系统的角度来看，如前一节所述，长时间使用mTOR激酶抑制剂可能会损害组织和代谢。选择性调节控制mTORC1下游自噬的蛋白质活性的小分子的开发是以更特异的方式诱导这一过程的可能途径。

mTOR信号在衰老过程中的意义

衰老是各种疾病发展的主要风险因素，包括癌症、2型糖尿病、心血管和神经退行性疾病。了解调节衰老的机制可能有助于延缓这些病理的发展，并最终延长人类的健康寿命。

饮食限制（DR）是延长各种物种寿命的最有力的环境措施之一（参见(Kapahi等人，2010年)). 由于TOR信号控制细胞对营养物质可用性的反应，许多研究小组已经测试了这种途径在调节寿命方面发挥重要作用的可能性。许多报告表明，抑制TOR活性可延长酵母的寿命(Kaeberlein等人，2005年;Medvedik等人，2007年)，蠕虫(Vellai等人，2003年)和苍蝇(Bjedov等人，2010年;Kapahi等人，2004年). 在酵母中，DR在缺乏基因的情况下不会进一步延长其寿命TOR1、，两者之一任务大纲酵母中的基因，表明TOR抑制和DR通过共同机制促进寿命(Kaeberlein等人，2005年). 在线虫，其中针对TOR的dsRNA不会延长吃-2变异蠕虫，其进食行为受损，代表DR的遗传模型(Hansen等人，2008年). 然而，雷帕霉素治疗确实略微延长了DR苍蝇的寿命(Bjedov等人，2010年). 此外，抑制TOR信号的主要靶点之一S6K可延长吃2种线虫DR模型(Hansen等人，2007年). 这些数据表明，与许多其他途径一样(Greer和Brunet，2009年)DR治疗和TOR抑制通过重叠但部分不同的途径促进寿命。

最近，国家老龄研究所（ITP）的一项多中心研究报告称，雷帕霉素抑制mTOR可延长小鼠的最大和中位寿命(Harrison等人，2009年;Miller等人，2010年). 有趣的是，即使在生命后期（即600天）开始治疗时，也观察到了这种效果，这大约相当于人类的60岁年龄。虽然这些结果不能直接推断到人类身上，但他们确实表明，即使在中年人开始治疗时，mTORC1抑制剂也可能有效治疗与年龄相关的疾病。

如前所述，雷帕霉素通过减少β细胞质量和破坏糖脂稳态而诱发糖尿病样综合征体内代谢状况如此严重的恶化通常与寿命的缩短而非延长有关。这种悖论的原因尚不清楚，但可能是由于使用了不同配方的雷帕霉素。在长寿研究中，雷帕霉素被微胶囊化并添加到食物中，而在其他研究中，药物是每天通过腹腔注射给药的。微囊化雷帕霉素的生物利用度较低，药代动力学不同，可能限制了组织接触药物，从而减少了其对代谢的负面影响。需要在长寿研究中对雷帕霉素治疗的小鼠的血浆代谢产物和胰岛素敏感性进行详尽的检查，以澄清这一重要问题。总的来说，这些观察结果支持这样的观点，即雷帕霉素的剂量必须仔细调整，才能对寿命和新陈代谢产生有益的影响。

mTORC1抑制如何延长哺乳动物的寿命是一个尚未解决的问题。在小鼠中，雷帕霉素介导的寿命延长与疾病模式或死亡原因的改变无关(Harrison等人，2009年;Miller等人，2010年). 这表明雷帕霉素可能通过减缓与年龄相关的疾病来延长寿命。抑制mTORC1可能通过改善干细胞功能来防止组织退化。陈等。观察到老年小鼠造血干细胞（HSC）中mTORC1信号升高，并且通过Tsc1型丢失导致HSC过早老化(Chen等人，2009年). 重要的是，用雷帕霉素减少mTORC1信号可以恢复HSC的自我更新和造血功能，提高免疫力，延长寿命。这一结果证实了先前的观察结果，即抑制mTORC1可防止干细胞衰竭并增加干细胞功能体内(Castilho等人，2009年;Yilmaz等人，2006年). 有趣的是，老年小鼠肝脏中的mTORC1活性也升高。mTORC1信号的这种升高损害了禁食诱导的酮症酸中毒，这是一种与衰老相关的常见表型(Sengupta等人，2010年). 特定组织或细胞类型在mTORC1抑制对寿命的影响中是否起主导作用尚不清楚。

mTORC1下游的哪些效应器调节衰老过程尚不清楚(图6). S6K活性的降低会延长各种物种的寿命，在小鼠中，S6K1的缺失会增加对年龄相关疾病的抵抗力（参见(Kapahi等人，2010年)). 另一种经典的mTORC1底物4E-BP也被证明可以调节老化过程。在苍蝇中，4E-BP的丢失会减少DR诱导的寿命延长，而4E-BP功能增强型的过度表达足以在营养丰富的条件下延长寿命(Zid等人，2009年). mTORC1-S6K1和-4E-BP1轴下游mRNA翻译、核糖体生物生成和蛋白质合成的减弱，可能在调节寿命方面起着重要作用，因为这些过程的破坏延长了一些物种的寿命（综述于(Kapahi等人，2010年)). 重要的是，mTORC1还可以通过与蛋白质合成调节无关的互补机制来控制寿命。例如，与mTORC1抑制相关的自噬的促进可能会介导mTORC对寿命的一些影响。大量证据表明，抑制蠕虫自噬会阻止TOR抑制介导的寿命延长(Toth等人，2008年). 诱导自噬可以通过促进异常蛋白质的降解和细胞器的损伤来减少衰老，这些异常蛋白质和细胞器随着时间的推移而积累，并损害细胞的适应性。

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图6

mTORC1和老化

生长因子和营养素激活mTORC1可抑制自噬并促进蛋白质合成。随着时间的推移，这可能会促进细胞应激（蛋白质聚集、细胞器功能障碍、氧化应激），这可能导致损伤累积、细胞功能降低，从而促进衰老相关疾病的发展。此外，mTORC1激活会导致干细胞衰竭，从而减少组织修复并促进组织功能障碍。饮食限制和雷帕霉素可能通过调节mTORC1下游的这些过程来延缓衰老和延长寿命。

视角

过去十年，人们对mTOR途径的兴趣和知识迅速增加。当然还有很多东西有待发现，但我们现在对该途径及其在正常和疾病生理学中的功能有了足够的了解，为了治疗的益处而对其进行调节的努力可以以更合理的方式向前推进。事实上，考虑到雷帕霉素部分抑制mTORC1和mTORC2并触发大量反馈信号的能力使其细胞效应的解释变得非常复杂，仅使用雷帕霉素就学到了很多东西，这真是令人惊讶。毫无疑问，mTOR的直接催化抑制剂将继续对我们对该途径的理解产生重大影响，并且已经解决了长期存在的谜团，如mTOR依赖性，但对4E-BP磷酸化的雷帕霉素抗性。这些分子在临床上的广泛用途尚待确定。正如这里所讨论的，许多常见的病理状况，包括癌症和神经变性，可能受益于mTOR抑制。然而，考虑到mTOR在所有生长和分裂细胞的基本生理学中的核心作用，很可能强烈抑制mTOR也会对人类产生相当大的不利影响。尽管在癌症等严重威胁生命的疾病的治疗中，这种影响可能是可以忍受的，但对于需要较长治疗时间的慢性病来说，这种影响则可能更大。事实上，雷帕霉素引起的mTORC1和mTORC2的部分抑制作用可能与慢性环境中可耐受的mTOR抑制作用相同。如果事实证明是这样的话，更好地理解mTOR相互作用蛋白的功能可能有助于开发mTOR复合物的变构调节剂，这些调节剂只干扰其对特定效应器的功能。

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脚注

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