李繼維　張瑩

摘 要：哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mTORC1）通路是細(xì)胞內(nèi)最主要的能量感受器，能感受營(yíng)養(yǎng)和激素、與能量需求相關(guān)的多個(gè)細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)相關(guān)的上游調(diào)節(jié)信號(hào)。調(diào)節(jié)下游信號(hào)從而影響不同的細(xì)胞代謝，從蛋白質(zhì)和脂質(zhì)合成到線粒體活性等不同方面調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝。作為對(duì)細(xì)胞代謝過程的調(diào)節(jié)，mTORC1的活性在外周激活有利于脂肪細(xì)胞活化，脂肪生成，葡萄糖攝取和β細(xì)胞數(shù)量的增加。本文綜述了現(xiàn)有的知識(shí)對(duì)mTORC1的作用在能量平衡和能量代謝的調(diào)節(jié)，特別是旨在提供有關(guān)mTORC1在功能細(xì)胞中心能夠整合不同激素的作用的背景下的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：mTORC1復(fù)合物；能量代謝；雷帕霉素

中圖分類號(hào)：R339.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.03.016

文章編號(hào)：1006-1959（2018）03-0048-04

Abstract：The mammalian target of the rapamycin（mTORC1）pathway is the most important energy receptor in the cell and can sense upregulation of nutrients and hormones associated with the regulation of multiple cellular functions associated with energy requirements.Regulate the downstream signals and thus affect different cell metabolism，regulate cellular metabolism from different aspects such as protein and lipid synthesis to mitochondrial activity.As a regulator of cellular metabolism， the activation of mTORC1 in peripheral activation facilitates adipocyte activation，lipogenesis，glucose uptake，and increased beta cell mass.This review summarizes the current state of knowledge that the effects of mTORC1 on the regulation of energy balance and energy metabolism are reviewed in particular in the context of providing background on the role of mTORC1 in the integration of different hormones in functional cellular centers.

Key words：mTORC1 complex；Energy metabolism；Rapamycin

適當(dāng)?shù)募?xì)胞功能和機(jī)體的生存取決于準(zhǔn)確的能量可用性和隨著細(xì)胞生長(zhǎng)和代謝活性的耦合性，在過去十年中，mTORC1已成為一個(gè)重要的細(xì)胞能量傳感器，因?yàn)樗軌驅(qū)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、生長(zhǎng)因子、激素信號(hào)、氧的可用性、蛋白質(zhì)合成、脂質(zhì)合成、溶酶體的生物合成、細(xì)胞自噬和神經(jīng)形態(tài)活動(dòng)等過程進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。在生物體水平，mTORC1是通過控制食物攝入和體重變化在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用參與能量平衡和代謝的調(diào)節(jié)，在外周器官，mTOR影響葡萄糖和脂質(zhì)代謝，對(duì)一些特征的疾病如肥胖癥、2型糖尿病、癌癥和神經(jīng)退行性疾病有特殊的調(diào)節(jié)作用，證據(jù)表明，在維持代謝平衡中mTORC1的重要性進(jìn)一步凸顯。

1 mTORC1復(fù)合物

mTORC1是mTOR的一種復(fù)合物，mTOR是一種進(jìn)化上保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，在細(xì)胞內(nèi)，mTOR與其他蛋白質(zhì)相結(jié)合形成是兩個(gè)不同的復(fù)合物，稱為mTOR復(fù)合物1（mTORC1）和mTOR復(fù)合物2（mTORC2），兩者表現(xiàn)出對(duì)雷帕霉素不同的敏感性，mTORC1對(duì)雷帕霉素的抑制作用較為敏感。mTOR的催化結(jié)構(gòu)域包含不同的磷酸化位點(diǎn)是位于上游的目標(biāo)（即蛋白激酶AMPK，Akt）和下游（即S6K）等，從而調(diào)節(jié)mTOR活性[2]。mTORC1的特征成分是Raptor，Raptor沒有內(nèi)源酶的活性，但它是mTORC1激酶活性和調(diào)節(jié)下游底物必不可少的。mTORC1作為mTOR兩種信號(hào)復(fù)合物之一，表現(xiàn)出了mTOR的主要調(diào)節(jié)機(jī)制。通過快速響應(yīng)細(xì)胞內(nèi)能量水平、營(yíng)養(yǎng)素、生長(zhǎng)因子和激素，可控制多種細(xì)胞功能，包括蛋白質(zhì)的合成和基因轉(zhuǎn)錄翻譯[3]。mTORC1也是參與能量平衡與代謝調(diào)控最復(fù)雜機(jī)制。

2 mTORC1的調(diào)節(jié)因子

2.1 mTORC1的上游調(diào)控因子 mTORC1可整合上游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，參與生理和病理過程。一些上游刺激信號(hào)，如生長(zhǎng)因子、激素、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如氨基酸和葡萄糖）、三磷酸腺苷（ATP）、細(xì)胞應(yīng)激和氧。通過上游調(diào)節(jié)因子或直接調(diào)節(jié)mTOR激酶有助于mTORC1的激活。

豐富的大腦RAS同源物（Rheb）在與GTP結(jié)合的條件下激活mTORC1。TSC1/2異二聚體是mTORC1上游的關(guān)鍵負(fù)性調(diào)控因子，它作為GTP酶的激活蛋白，可使下游的Rheb處于與GTP解離的失活狀態(tài)，從而抑制mTORC1。胰島素和生長(zhǎng)因子如胰島素樣生長(zhǎng)因子1（IGF1）通過磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/蛋白激酶B（PKB或Akt）激活mTORC1信號(hào)通路[4-5]。

胰島素激活mTORC1能力受損后，減少細(xì)胞內(nèi)ATP水平引起的糖供應(yīng)下降或?qū)€粒體呼吸的抑制作用，提示細(xì)胞能量直接影響mTOR激酶的活性。細(xì)胞內(nèi)ATP水平對(duì)mTOR活性的影響已被歸因于高的離解常數(shù)。然而，降低對(duì)葡萄糖的利用從而降低ATP水平只有約兩倍，這不太可能是ATP影響mTORC1的活性主要機(jī)制。缺氧或DNA損傷或低的ATP水平從而磷酸化蛋白激酶（AMPK）。然后直接磷酸化AMPK激活TSC2，激活其GTP酶功能，從而抑制rheb-mtorc1信號(hào)通路。此外，通過直接磷酸化AMPK抑制mTORC1信號(hào)[6]。相反，mTORC1下游底物S6激酶（S6K-1）可負(fù)調(diào)控AMPK，表現(xiàn)與下丘腦通過激素、瘦素對(duì)食物攝入進(jìn)行調(diào)節(jié)有關(guān)[7-8]。細(xì)胞應(yīng)激、缺氧等損傷的DNA也可以抑制mTORC1。特別是，缺氧誘導(dǎo)的DNA損傷反應(yīng)1（REDD1）的轉(zhuǎn)錄表達(dá)調(diào)控，從而激活TSC2。有趣的是，缺氧誘導(dǎo)因子1α（HIF1α），對(duì)細(xì)胞內(nèi)氧濃度的變化，不存在這樣的的調(diào)解作用。

最后，氨基酸，是蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和ATP合成中間產(chǎn)物，mTORC1的活性主要受支鏈氨基酸（BCAA）的調(diào)節(jié)，如亮氨酸和精氨酸[9]。然而，這一重要激活mTORC1的機(jī)制也是目前了解最少的一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)制[8]。氨基酸利用率似乎是通過2個(gè)途徑作用于mTORC1：第一個(gè)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣水平的增加，激活人的空泡分選蛋白34（hvps34），III類磷脂酰肌醇3激酶；二是作用于GTP酶調(diào)節(jié)劑（lamtor1-3）和液泡H（+）-ATP酶（V-ATPase），從而促進(jìn)mTORC1的遷移到溶酶體表面從而激活mTORC1[10]。

2.2 mTORC1下游的調(diào)控分子 由于mTORC1是在細(xì)胞和機(jī)體水平的關(guān)鍵能量調(diào)節(jié)傳感器，其信號(hào)通路參與多種重要的細(xì)胞過程，從調(diào)控蛋白質(zhì)合成到線粒體的生物合成和功能。

蛋白質(zhì)的合成和翻譯是細(xì)胞生長(zhǎng)必不可少的，是最好的研究細(xì)胞功能受mTORC1影響的一個(gè)調(diào)節(jié)通路。特別是mTORC1的磷酸化S6K1和eif-4e-binding蛋白1（4E-BP1），分別誘導(dǎo)mRNA的生物合成和翻譯[2]。S6K1還參與翻譯起始和延伸。此外，還促進(jìn)核糖體RNA的表達(dá)和轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）轉(zhuǎn)錄[3]。S6K1磷酸化狀態(tài)，其下游靶S6核糖體蛋白（S6）和4EBP1作為主要的細(xì)胞和組織中的mTORC1活性標(biāo)志物。值得注意的是，對(duì)mTORC1通路可通過IRS蛋白對(duì)S6K1依賴性抑制胰島素介導(dǎo)的PI3K/Akt通路持續(xù)激活。這種負(fù)反饋可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞胰島素的脫敏和抵抗（恩等，2004）。除了控制蛋白質(zhì)的合成，mTORC1積極參與核糖體和線粒體ATP合成。特別是，mTORC1通過激活HIF1α調(diào)控翻譯轉(zhuǎn)錄增加糖酵解通量[11]。而其他的一些研究已經(jīng)表明，mTORC1激活PPARγ共激活因子1α和允許與轉(zhuǎn)錄因子相互作用的YY1增加線粒體DNA含量和氧化代謝。

mTORC1可調(diào)節(jié)細(xì)胞膜的生成所需的脂類合成，特別是固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白的合成從而推動(dòng)細(xì)胞的生長(zhǎng)[11]。此外，mTORC1激活時(shí)通過上調(diào)過氧化物酶體增殖物激活受體（PPARγ）的表達(dá)和活性可促進(jìn)脂質(zhì)積累。

最后，在營(yíng)養(yǎng)豐富的條件下，mTORC1促進(jìn)細(xì)胞代謝從而抑制細(xì)胞自噬過程。在營(yíng)養(yǎng)缺乏條件下，mTORC1促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)受損的細(xì)胞器的再利用和細(xì)胞適應(yīng)細(xì)胞器損傷需要一個(gè)過程[3]。特別是，mTORC1可磷酸化自噬UNC-51-樣激酶1（ULK1），抑制AMPK的自噬體的形成，抑制其作用，從而最終阻止自噬。

mTOR通路的調(diào)節(jié)（圖1）：激素、生長(zhǎng)因子和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等上游信號(hào)可以激活mTORC1通路。不同的上游激酶如AKT、ErK等通過抑制TSC1/TSC2調(diào)節(jié)mTORC1的活性。低葡萄糖，低ATP和低氧水平以及DNA損傷導(dǎo)致AMPK激活，抑制mTORC1激活TSC1/TSC2或直接磷酸化mTORC1組件Raptor。氨基酸誘導(dǎo)人液泡蛋白分選34激活（hvps34）和 GTP酶來調(diào)節(jié)mTORC1的活性。反過來，mTORC1激活導(dǎo)致其下游靶核糖體蛋白S6激酶的磷酸化（活化），核糖體蛋白S6（S6K1）和真核起始因子4E結(jié)合蛋白（4E-BP1）和多種細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)。

3 mTORC1對(duì)糖的調(diào)節(jié)作用

在外周的代謝相關(guān)的組織中mTORC1可以說是最重要的細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，如mTORC1在骨骼肌和胰腺內(nèi)分泌的活性和葡萄糖的攝取和代謝之間的調(diào)節(jié)關(guān)系一直是研究熱點(diǎn)。在肌肉細(xì)胞2-脫氧葡萄糖體外暴露時(shí)，能快速抑制mTORC1，而雷帕霉素抑制葡萄糖氧化同時(shí)導(dǎo)致脂肪酸氧化，而mTORC1活性導(dǎo)致幾種類型細(xì)胞的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)增加，從而促進(jìn)葡萄糖的攝取[12-13]。現(xiàn)有的證據(jù)也支持mTORC1信號(hào)對(duì)胰島素敏感性的調(diào)節(jié)的作用。事實(shí)上，S6K1，一旦被激活后，通過負(fù)反饋回路調(diào)節(jié)胰島素信號(hào)通路。如果暴露于慢性高脂飲食時(shí)，mTORC1通路的不斷激活，最終導(dǎo)致IRS1磷酸化和胰島素抵抗。mTOR持續(xù)活化可能因此表現(xiàn)出生理適應(yīng)機(jī)制最初旨在減少葡萄糖代謝及對(duì)細(xì)胞造成的氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的胰島素抵抗。在這種解釋的支持，最近的研究表明，胰島素抵抗在Zucker肥胖大鼠的心臟出現(xiàn)mTORC1的活性增加，從而增加血管緊張素Ⅱ型受體（AT2R）表達(dá)保護(hù)適應(yīng)營(yíng)養(yǎng)過剩[14]。

葡萄糖需要功能性mTORC1信號(hào)正向調(diào)節(jié)β-細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖，誘導(dǎo)胰島素的合成[15]。因此，S6K1和S6基因敲除小鼠顯示胰島大小減少、葡萄糖耐受不良和低胰島素血癥。相反，遺傳模型的特點(diǎn)是由一個(gè)特定的β細(xì)胞過度性激活mTORC1，如那些缺失的TSC2或LKB1（上游激酶激活A(yù)MPK）的β-細(xì)胞，出現(xiàn)β細(xì)胞質(zhì)量增加和葡萄糖耐受性個(gè)改變。值得注意的是，雷帕霉素作為mTOR信號(hào)通路的特異性抑制劑，當(dāng)雷帕霉素被用于治療癌癥（如腎細(xì)胞癌）或誘導(dǎo)器官移植免疫抑制時(shí)，葡萄糖不耐受和糖尿病發(fā)展是雷帕霉素及其衍生物常見的副作用[15]。雷帕霉素具有抑制β細(xì)胞增殖，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，在動(dòng)物模型中通過抑制葡萄糖刺激的胰島素分泌引起肥胖糖尿病。

4 mTORC1調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝

mTOR的信號(hào)傳導(dǎo)通路在食物充足的時(shí)候被激活，mTOR及其復(fù)合物正向調(diào)節(jié)脂肪合成，抑制脂肪分解。藥理和遺傳研究表明，骨髓間質(zhì)干細(xì)胞分化為成熟脂肪細(xì)胞需要mTORC1信號(hào)?？傮w表明，mTORC1有助于促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化。一些遺傳模型，進(jìn)一步支持了mTORC1在脂質(zhì)代謝中的至關(guān)重要的作用，mTORC1激活終端脂肪細(xì)胞分化。通過mTORC1控制脂肪細(xì)胞的分子機(jī)制是目前積極探索的主題，它們涉及C/EBP-α和PPARγ，和其他的一些分子靶點(diǎn)[6]。有趣的是，胰島素誘導(dǎo)脂肪生成取決于mTORC1，mTORC1的活性有利于增加脂肪細(xì)胞瘦素產(chǎn)生。mTORC1信號(hào)已被證明能夠抑制脂肪組織中的脂解過程。特別是，mTORC1抑制后增加已知甘油三酯脂肪酶（ATGL）在脂肪細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而刺激脂解[16]。相反，激活mTORC1后激素敏感脂肪酶（HSL）的活性降低和減少釋放游離脂肪酸[17]。最后，有越來越多的證據(jù)表明，mTORC1抑制脂肪酸的氧化和酮體生成[6]。事實(shí)上，TSC1基因敲除小鼠肝臟特異性生酮作用的缺陷，而肝細(xì)胞特異性基因敲除的小鼠禁食后Raptor激活可誘導(dǎo)增加生酮作用。因此，到目前為止提供的證據(jù)表明，mTORC1有利于脂肪的合成和脂肪合成的脂質(zhì)代謝發(fā)揮明顯作用，從而促進(jìn)脂質(zhì)合成和貯存，同時(shí)抑制脂肪分解，在脂肪酸氧化和生酮作用中所發(fā)揮的重要作用，高血脂成為經(jīng)常利用這種藥物治療的患者中的另一個(gè)重要的副作用，也說明雷帕霉素能誘導(dǎo)的高血脂。

6 mTORC1調(diào)節(jié)氨基酸代謝

mTORC1信號(hào)通路是細(xì)胞內(nèi)重要的調(diào)控蛋白質(zhì)代謝通路之一，氨基酸氨基酸不僅是合成蛋白質(zhì)的底物，同時(shí)也作為一種信號(hào)分子參與調(diào)控mTORC1信號(hào)通路，溶酶體是氨基酸激活mTORC1信號(hào)通路的一個(gè)關(guān)鍵細(xì)胞器，溶酶體表面的v-ATPase、Ragulator、Rag GTPase等復(fù)合體為mTORC1在溶酶體上的定位提供停泊位點(diǎn)，Ragulator-Rag所介導(dǎo)mTORC1在溶酶體表面的定位是氨基酸激活mTORC1信號(hào)通路的關(guān)鍵步驟[18-19]。氨基酸必須首先在溶酶體腔內(nèi)蓄積才能起始感應(yīng)信號(hào)，且是一種依賴于溶酶體氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)感受體SLC38A9的作用方式，上述研究結(jié)果有利于深入理解氨基酸調(diào)節(jié)mTORC1信號(hào)通路的作用機(jī)制。隨和研究的深入，參與氨基酸調(diào)節(jié)mTORC1上游信號(hào)通路的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，Sesterins、GATOR2、GATOR1均被發(fā)現(xiàn)參與調(diào)節(jié)此信號(hào)通路，但GATOR復(fù)合體對(duì)MTORC1的調(diào)節(jié)并不依賴Ragulator[20]。

7 總結(jié)與展望

mTORC1信號(hào)通路是參與多種細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)重的要調(diào)節(jié)通路，在能量平衡的外周代謝和中樞神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用。 mTORC1和mTORC2對(duì)代謝平衡的調(diào)節(jié)的關(guān)系還需要進(jìn)一步的研究。一些不同的觀點(diǎn)任然存在，臨床上，mTORC1是肥胖、糖尿病、癌癥和神經(jīng)退行性疾病治療的潛在目標(biāo)。然而，只有各mTORC1復(fù)合物確切的分子機(jī)制和新化合物專門針對(duì)這些新發(fā)現(xiàn)的機(jī)制后將更進(jìn)一步擴(kuò)大在臨床上的應(yīng)用。

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收稿日期：2017-10-9；修回日期：2017-10-18

編輯/成森