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致癌信號傳導和代謝改變在癌細胞中往往是相互關聯(lián)的。癌細胞通過代謝重編程，來確保在營養(yǎng)稀缺和壓力微環(huán)境中的存活和增殖。已有很多研究表明，癌癥特異性代謝改變，包括氨基酸，葡萄糖，核苷酸，脂肪酸和脂質(zhì)的異常代謝。而代謝重編程往往由致癌信號傳導介導。mTOR信號傳導就經(jīng)常在腫瘤中被激活，并通過關鍵代謝酶的表達改變和/或活性改變，來進一步控制癌細胞的生長和代謝。相反，代謝改變，例如通過增加的葡萄糖或氨基酸攝取，也可以影響mTOR信號傳導。mTOR信號參與可以調(diào)節(jié)氨基酸，葡萄糖，核苷酸，脂肪酸和脂質(zhì)的代謝，在研究中極其重要。所以，今天帶大家揭開mTOR的神秘面紗。

mTOR研究可以追溯到1964年發(fā)現(xiàn)的雷帕霉素，因為它的全稱叫做哺乳動物雷帕霉素靶點 ( mammalian target of rapamycin， mTOR ) 。mTOR是一類絲/蘇氨酸激酶，C端與磷脂酰肌醇激酶 ( PI3K ) 催化域同源，但是其本身又不具備酯酶激酶的活性，而是Ser/Thr蛋白激酶活性。在細胞內(nèi)存在mTORC1和mTORC2兩種不同的復合體，由于mTORC2組分在小鼠中的缺失以及mTORC2抑制劑缺失而引起的早期致死性使其研究變得復雜。

經(jīng)過幾十年的研究表明，mTOR屬于一個重要的真核細胞信號，其穩(wěn)定性影響T細胞中細胞因子的表達，參與免疫抑制，影響轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)合成，調(diào)節(jié)細胞的生長、凋亡、自噬等。mTOR則被認定為腫瘤治療的新靶點，對運動、代謝、神經(jīng)等疾病具有重要的調(diào)節(jié)作用。

在疾病研究方面，mTOR在各種細胞過程中被激活，比如腫瘤形成、血管生成、胰島素抵抗、脂肪形成及淋巴細胞活化，在多種癌癥及2型糖尿病中表達失調(diào)。mTOR抑制劑 ( 雷帕霉素及其類似物 ) 已經(jīng)應用于實體瘤、器官移植、類風濕性關節(jié)炎等疾病的治療研究中。

圖一   mTOR主要功能

但是仍有很多功能的機制未得到解答，比如mTORC2是如何調(diào)控的，以及它控制哪些生理過程？mTORC1和mTORC2信號通路如何相互融合？這些復合物在成人組織和器官中的功能是什么以及它們在健康和疾病中的功能障礙或失調(diào)的影響是什么？是否有額外的mTOR復合物可以調(diào)節(jié)其他生物過程？

結(jié)構決定功能，因此，我們先來說一說mTOR兩種復合體mTORC1和mTORC2的結(jié)構，以便于更好的解釋mTOR的多重復雜功能。

mTORC1結(jié)構

mTORC1由三個核心組件構成：mTOR、Raptor和mLST8。其中mTOR是復合物的催化亞基。Raptor是mTOR調(diào)控相關蛋白質(zhì)，與TOR信號基序結(jié)合促進mTORC1的底物募集。mLST8與mTORC1催化結(jié)構域相關聯(lián)，可以穩(wěn)定激酶活化，但是該蛋白卻不影響體內(nèi)mTORC1活性。除了核心組件，mTORC1還有兩種抑制性亞基PRAS40和DEPTOR。當mTORC1的活性降低時，PRAS40和Deptor被招募，進一步的抑制mTORC1表達。而當mTORC1激活后，直接磷酸化PRAS40和Deptor，降低他們的抑制作用并進一步激活mTORC1信號傳導。 

mTORC2的結(jié)構

mTORC2核心組件包含：mTOR、Rictor和mLST8。其中mTOR與mTORC1一樣，屬于復合物催化亞基。Rictor是對雷帕霉素不敏感的mTOR伴侶，可以與Protor-1相互作用，但是相互作用的生理功能還不清楚。通過基因敲除證明mLST8對mTORC2功能是必需的。與mTORC1類似，Deptor負調(diào)節(jié)mTORC2活性，目前是mTORC2的唯一特征性內(nèi)源性抑制劑。mTORC2還有一種組件：mSIN1，屬于哺乳動物應激激活的蛋白激酶相互作用蛋白。

細胞為了生長和分裂，需要增加蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及核苷酸的產(chǎn)量，還要抑制分解代謝過程，比如自噬，mTORC1在調(diào)節(jié)這些過程中發(fā)揮著核心作用。mTORC1主要通過磷酸化兩種關鍵效應物S6K1和4EBP來促進蛋白質(zhì)合成。mTORC1直接磷酸化S6K1并激活促進mRNA翻譯起始的若干底物 ( 如eIF4B ) ，還會促進PDCD4的降解，與SKAR相互作用增強mRNA的翻譯效率，從而促進蛋白質(zhì)合成。

細胞膜的形成需要脂質(zhì)，mTORC1通過SREBP轉(zhuǎn)錄因子促進脂質(zhì)合成，滿足細胞生長過程中膜的形成。最近的研究發(fā)現(xiàn)，mTORC1還促進細胞生長和增殖中DNA復制和核糖體合成所需核苷酸的合成。mTORC1促進ATF4表達，進一步增加MTHFD2表達，提供嘌呤合成的碳單位。S6K1的磷酸化可以激活CAD酶，促進嘧啶合成。

mTOR1的調(diào)控

mTORC1還通過抑制蛋白質(zhì)分解代謝促進細胞生長 ( 自噬 ) 。在營養(yǎng)充足的條件下，mTORC1使ULK1磷酸化，阻止AMPK對其激活，防止ULK1與ATG和FIP200形成復合物，細胞不發(fā)生自噬。因此，在不同的細胞環(huán)境中，mTORC1和AMPK的相對活性可以決定自噬誘導的程度。mTORC1還通過磷酸化和抑制轉(zhuǎn)錄因子TFEB的核移位來調(diào)節(jié)自噬。

圖四 mTORC1調(diào)控下的主要信號通路

mTORC1通過促進葡萄糖代謝來促進細胞生長。mTORC1增加轉(zhuǎn)錄因子HIF1a的翻譯，促進磷酸果糖激酶 ( PFK ) 表達。此外，mTORC1激活SREBP，增加NADPH和其他中間代謝物形成。

mTOR2的調(diào)控

mTORC1調(diào)節(jié)細胞生長和代謝，而mTORC2則主要通過AGC ( PKA/PKG/PKC ) 家族的幾個成員來控制細胞增殖和存活。第一個被鑒定的mTORC2底物是PKCa，肌動蛋白細胞骨架的調(diào)節(jié)劑。最近，mTORC2也被證明可以磷酸化PKC家族的幾個其他成員，包括PKCd、PKCz以及PKCg和PKCε。

然而，mTORC2最重要的作用可能是Akt的磷酸化和激活。Akt是胰島素/PI3K信號傳導的關鍵效應物。一旦活化，Akt通過磷酸化和抑制幾種關鍵底物來促進細胞存活、增殖和生長，包括FoxO1/3a轉(zhuǎn)錄因子、GSK3b和TSC2。最后，mTORC2還磷酸化并激活SGK1，調(diào)控離子轉(zhuǎn)運以及細胞存活。

mTORC1促進細胞生長的過程主要由生長因子、能量狀態(tài)、含氧量和氨基酸這四種信號調(diào)節(jié)。參與調(diào)節(jié)mTORC1活性的最重要蛋白質(zhì)是TSC ( 屬于TSC1/2異二聚體 ) 。TSC作為小Ras相關GTP酶活化蛋白 ( GAP ) 起作用。

生長因子通過激活經(jīng)典胰島素和Ras信號通路來刺激mTORC1。通過細胞外信號ERK1/2和RSK1增加PKB ( 即AKT ) 對TSC2的磷酸化，導致TSC1/2失活，激活mTORC1。胰島素及其表面受體的結(jié)合，促進酪氨酸激酶活性，募集IRS1，激活PI3K，在細胞質(zhì)膜上募集和活化AKT。在多種細胞類型中，mTORC1的活化抑制PI3K上游的PI3K-AKT信號通路。其它獨立于IRS1通路可能有助于mTORC1的逆向抑制，比如TSC1/2的喪失抑制PDGFR的表達，但是mTOR信號如何控制PDGFR表達仍有待確定。

細胞的能量狀態(tài)通過AMPK激酶發(fā)信號給mTORC1。當能力消耗時，AMPK被激活并使TSC2磷酸化，降低mTORC1活化。此外，AMPK可以通過直接磷酸化Raptor來降低mTORC1的活性，以回應能量耗竭。

氧水平通過多種途徑影響mTORC1活性。在輕度缺氧的條件下，ATP水平的降低激活AMPK，其促進TSC1/2激活并抑制mTORC1信號傳導。低氧還可以通過REDD1的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)激活TSC1/2。REDD1通過從其生長因子誘導的14-3-3蛋白質(zhì)釋放TSC2來阻斷mTORC1信號傳導。

氨基酸代表正調(diào)控mTORC1的信號。亮氨酸是mTORC1激活所需的必需氨基酸，以谷氨酰胺依賴性方式轉(zhuǎn)運進入細胞。最近還報道了氨基酸調(diào)節(jié)mTORC1信號傳導的幾種其他機制，包括將Folliculin-FNIP2復合物，通過相關的Arf家族GTP酶獨立于Rag GTP酶活化mTORC1。最近的一篇報道發(fā)現(xiàn)小多肽SPAR與v-ATPase-Ragulator復合物共同抑制mTORC1向溶酶體的募集。

與mTORC1相比，mTORC2相關信號通路知之甚少。近年來，科研人員利用多種分子生物學技術，證明mTORC2在各種生物過程中起關鍵作用，包括細胞存活、代謝、增殖和細胞骨架組織，但具體機制還有待進一步深入研究。

圖七 mTOR信號通路 ( 如需大圖，可在文章底部留言 )

1999年雷帕霉素已成為腎臟移植的臨床免疫抑制劑。從機制上講，mTORC1促進T細胞激活，并激活免疫微環(huán)境信號IL-2、CD28等。在抗原呈遞過程中，mTORC1抑制，導致T細胞無反應性，讓腫瘤細胞產(chǎn)生免疫逃逸。最近研究發(fā)現(xiàn)mTORC1可以影響T細胞的成熟。

mTOR是神經(jīng)生物學過程中重要調(diào)節(jié)者。核心組件Raptor或Rictor在神經(jīng)元中的缺失會導致神經(jīng)元減少和早期死亡，mTORC1和mTORC2的信號傳導對于正確的大腦發(fā)育是重要的。在結(jié)節(jié)性硬化癥患者中會出現(xiàn)一些使人神經(jīng)衰弱疾病，包括癲癇、自閉癥和良性腦腫瘤。

最重要的是，mTORC1調(diào)節(jié)許多致癌通路的突變，如PI3K/Akt通路和Ras/Raf/Mek/Erk ( MAPK ) 通路。此外，常見腫瘤抑制因子TP53和LKB1是TSC1和TSC2上游的負調(diào)節(jié)因子，這些因子也是通過對家族性癌癥綜合征 ( 結(jié)節(jié)性硬化癥 ) 的遺傳分析被發(fā)現(xiàn)的。基因MTOR的突變也已經(jīng)在各種癌癥的亞型中被發(fā)現(xiàn)，與mTOR在腫瘤發(fā)生中的作用一致。

圖八 mTOR與癌癥調(diào)控

mTORC1激活的過程可能有助于腫瘤發(fā)生，4EBP磷酸化啟動翻譯程序最關鍵的，已在小鼠Akt驅(qū)動的前列腺癌和T細胞淋巴瘤模型得到證實。與此一致的是，各種Akt和Erk驅(qū)動的癌細胞系依賴于4EBP磷酸化，并且4EBP與eIF4E表達的比率對mTOR抑制劑的敏感性相關。

mTORC2與癌癥的關聯(lián)歸因于其在激活Akt中的作用，Akt驅(qū)動促進增殖過程如葡萄糖攝取和糖酵解，同時還抑制細胞凋亡。一些PI3K/Akt驅(qū)動的腫瘤似乎依賴于mTORC2活性，因為Rictor在由PTEN損失驅(qū)動的前列腺癌小鼠模型中以及在缺乏PTEN的人前列腺癌細胞系中是必需的。

圖九 mTOR抑制劑與癌癥

mTOR信號傳導與各種生物體的老化過程相關，如酵母、蠕蟲、蒼蠅和哺乳動物。首先在線蟲中發(fā)現(xiàn)mTOR與衰老相關，研究證明mTOR或Raptor同系物的表達，降低了壽命延長。隨后的基因研究發(fā)現(xiàn)減少TOR信號也能促進果蠅、出芽酵母以及小鼠的壽命。并且，mTOR抑制劑雷帕霉素是目前唯一被證明可延長所有這些模型生物壽命的藥物。

雖然現(xiàn)在普遍認為mTOR信號在哺乳動物衰老中起著關鍵作用，但發(fā)生這種情況的機制仍不清楚。幾條證據(jù)表明，mTORC1抑制mRNA翻譯，減少蛋白毒性和氧化應激的積累，延緩衰老，這與mTORC1底物S6K1的喪失也延長哺乳動物壽命的觀察結(jié)果一致。抑制mTORC1，可以增加自噬，進而減緩衰老，有助于清除受損的蛋白質(zhì)和線粒體等細胞器，減少衰老因子的累積及相關疾病的發(fā)生。mTOR抑制劑增強小鼠造血干細胞和腸干細胞的自我更新能力。mTORC1信號傳導可以調(diào)節(jié)多種關鍵細胞的功能。 

圖十 mTORC1與衰老

mTOR信號在細胞和生物體的代謝方面具有重要作用。對mTOR功能和調(diào)節(jié)機制的研究，在最近幾年不斷取得新進展，通過對模式動物小鼠的遺傳學和藥理學研究，增強了mTOR功能障礙對疾病的影響。

雖然對mTORC1的研究已經(jīng)很多，對其機制也基本了解，但是對這些信號的重要性及其背景機制還有待確認。對一些復合物的生物學作用還不清楚，如Sestrin2、CASTOR1和SLC38A9。未來mTOR研究的主要焦點將是解決這些分子機制，以及是否可以改善臨床上mTOR的靶向治療。

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