mTOR 通路調(diào)控自噬的過程介紹
自噬一直是研究中的熱門話題，而 mTOR 通路是信號通路中的“明星”，兩者之間“剪不斷理還亂”，這個故事還要從“調(diào)控”說起……
mTOR 是細胞生長和代謝的主要調(diào)節(jié)分子，可促進合成代謝過程，如核糖體的生物發(fā)生 (Ribosome biogenesis) 以及蛋白質(zhì)、核苷酸、脂肪酸和脂質(zhì)的合成，并抑制分解代謝過程，如自噬。mTOR 信號的失調(diào)與許多人類疾病有關(guān)，包括糖尿病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥。
mTOR 是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，屬于 PI3K 相關(guān)激酶 (PIKK) 家族的成員，可與幾種蛋白質(zhì)相互作用形成兩個不同的復(fù)合物，分別稱為 mTOR 復(fù)合物 1 (mTORC1) 和 2 (mTORC2)。mTORC1 包含 mTOR、Raptor、PRAS40、mLST8 和 DEPTOR，對雷帕霉素 (Rapamycin) 敏感；mTORC2 包含 mTOR、Rictor、SIN1、Protor-1、mLST8 和 DEPTOR，對雷帕霉素急性治療不敏感。
mTOR 通過與 mTORC1 或 mTORC2 的關(guān)鍵組分如 Raptor、Rictor、LST8 和 SIN1 作用，催化多個靶標的磷酸化，如 S6K1、4E-BP1、Akt、PKC、 IGF-IR 和 ULK1，從而調(diào)節(jié)蛋白合成、營養(yǎng)代謝、生長因子信號傳導(dǎo)、細胞生長和遷移以及調(diào)節(jié)自噬等。
mTOR1/2 的活化
mTORC1 受多種刺激 (例如生長因子、營養(yǎng)物質(zhì)、能量和應(yīng)激信號) 以及基本信號傳導(dǎo)途徑 (例如 PI3K、MAPK 和 AMPK) 激活。
1、生長因子和激素 (例如胰島素) 通過 I 類 PI3K 及其下游效應(yīng)子 AKT 的激活來調(diào)節(jié) mTORC1 信號傳導(dǎo)，從而逆轉(zhuǎn) TSC1/TSC2 復(fù)合物和 PRAS40 對 mTORC1 信號傳導(dǎo)的抑制作用；
2、營養(yǎng)物質(zhì)如氨基酸通過促進 RAS 相關(guān) GTP 結(jié)合蛋白 (RAG) 異二聚體向活性構(gòu)象的轉(zhuǎn)化來刺激 mTORC1；
3、細胞能量狀態(tài)如低 ATP 水平下，通過 AMPK 磷酸化 TSC2，mTORC1 活性受到抑制。除 PI3K 和 AMPK 途徑外，RAS/MAPK 信號也觸發(fā)了 mTORC1 信號的激活。此外，Hippo 途徑 (Hippo 途徑與靶向策略)和 Wnt 途徑 (Wnt 信號通路很復(fù)雜？) 也參與了對 mTORC1 和 mTORC2 的調(diào)控。
圖 2. mTOR 上游：經(jīng)典和非經(jīng)典輸入[1]
mTORC1 活化后，通過磷酸化下游效應(yīng)因子 S6K 和 4E-BP 促進合成代謝過程，例如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核苷酸合成，同時，通過 ULK1 抑制分解代謝程序，從而導(dǎo)致自噬抑制。與 mTORC1 相比，對 mTORC2 的了解較少。如 mTORC2 可防止 AKT 泛素化和降解。mTORC2 還可激活 SREBP1c 促進成脂基因表達，以及刺激胰島素樣生長因子 2 (IGF2) 的產(chǎn)生。
mTOR 與自噬
自噬是一種溶酶體降解系統(tǒng)，涉及從頭自噬形成。而自噬體的形成是由一系列稱為 Atg 或“自噬相關(guān)”蛋白的蛋白質(zhì)的協(xié)同作用驅(qū)動的。成熟的自噬體與溶酶體融合后，會被酸化，形成自溶酶體。溶酶體與自噬體的融合降解捕獲的蛋白質(zhì)，脂質(zhì)，碳水化合物，核酸和細胞器 (Hello~自噬)。
大量研究表明 mTORC1 是自噬的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)自噬過程中不同步驟 (如成核，自噬體延伸，自噬體成熟和終止) 。因此，mTORC1 是調(diào)控自噬的極具潛力的靶標。
圖 3. mTORC1 對自噬各個步驟的調(diào)控[9]
mTORC1 如何調(diào)控自噬呢？
1、研究表明，mTORC1 通過磷酸化使形成的自噬調(diào)節(jié)復(fù)合物 (由 ULK1 和其互作蛋白 Atg13、FIP200、Atg101 等形成) 失活，從而影響自噬小體的生物發(fā)生。在營養(yǎng)豐富的條件下，mTORC1 通過介導(dǎo) ULK1 (Ser637 和 Ser757) 和 Atg13 (Ser258) 特定位點磷酸化，抑制 ULK1 復(fù)合物的自噬促進激酶 (Autophagy-promoting kinase) 活性。在饑餓和細胞應(yīng)激期間，mTORC1 活性被抑制，于是與 ULK1 分離。因此，ULK1 和 Atg13 的特定位點的磷酸化被解除。同時，ULK1 復(fù)合物通過 Thr180 處自磷酸化而變得活躍，并磷酸化 Atg13、FIP200、Atg101 和其他 Atg 蛋白。活躍的 ULK1 復(fù)合物隨后轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的隔離膜上，自噬啟動。
2. 另外，AMPK 也與自噬有關(guān)。在葡萄糖充足的情況下，活性 mTORC1 通過磷酸化 ULK1 特定位點 (Ser 757) 并破壞 ULK1 與 AMPK 之間的相互作用來阻止 ULK1 活化，抑制自噬啟動。在葡萄糖不足的情況下，AMPK 被激活，mTORC1 的磷酸化而被 AMPK 抑制，隨后 ULK1 可以與 AMPK 相互作用并被 AMPK 磷酸化，活化的 ULK1 啟動自噬。
3、自噬的成核步驟受到 PI3KC3 復(fù)合體 I 中 Atg14、AMBRA1 和 NRBF2 的磷酸化抑制。因此，mTORC1 可以通過磷酸化其成分 Atg14，AMBRA1 和 NRBF2 直接調(diào)節(jié) PI3KC3-CI 的活性。
4、研究表明，mTORC1 通過分別靶向 WIPI2 和 p300 乙酰轉(zhuǎn)移酶參與調(diào)節(jié)自噬體形成的延伸步驟，以及 LC3 與自噬體膜的結(jié)合。如通過抑制 p300 分子內(nèi)自抑制，可促進 LC3 的乙酰化，這阻礙了 LC3 的脂化。WIPI2 通過與 Atg16L 結(jié)合并將 Atg12-Atg5-Atg16L 復(fù)合物結(jié)合到吞噬細胞上來促進磷脂酰乙醇胺對 LC3 的脂化作用。
5、mTORC1 還可以通過調(diào)節(jié)溶酶體生物發(fā)生所需基因的轉(zhuǎn)錄來間接抑制自噬。如 TFEB 是溶酶體生物發(fā)生和自噬基因的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子。TFEB 可上調(diào)與自噬體形成、自噬體與溶酶體的融合相關(guān)，以及溶酶體生物發(fā)生所需的一系列基因。此外，TFEB 的過表達可增加 UVRAG、WIPI、MAPLC3B、SQSTM1、VPS11、VPS19 和 ATG9B 的表達，它們參與了自噬的各個步驟。此外，mTORC2 也可通過激活 mTORC1 間接抑制自噬。
由于自噬與運動、代謝適應(yīng)和衰老等生理過程，以及神經(jīng)退行性疾病、傳染病、心血管疾病，癌癥等疾病過程有關(guān)，但自噬誘導(dǎo)是利是弊，取決于疾病的類型或階段。例如，當(dāng)營養(yǎng)有限時，自噬可以通過向腫瘤細胞提供營養(yǎng)來促進腫瘤發(fā)生和發(fā)展。因此，自噬的抑制可能使癌細胞對代謝應(yīng)激條件敏感，從而導(dǎo)致細胞死亡。另外，mTORC1 作為自噬的主要調(diào)節(jié)劑，參與自噬過程，是極具有潛力靶標，實際上，mTORC1 的失調(diào)已經(jīng)牽涉到與自噬缺陷相關(guān)的疾病中，并且已經(jīng)有 mTOR 抑制劑在臨床試驗中或獲批用于治療這些疾病。
總之，mTOR 促進合成代謝并抑制自噬誘導(dǎo)，而用 mTOR 抑制劑調(diào)節(jié)自噬為多種疾病提供了新的治療策略。
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具有誘導(dǎo)自噬作用的 mTOR 抑制劑 |
| 有效且特異性的 mTOR 抑制劑，作用于 HEK293 細胞，抑制 mTOR，IC50 為 0.1 nM；與 FKBP12 結(jié)合且抑制 mTORC1；還是一種自噬 (autophagy) 激活劑，免疫抑制劑。 |
| mTOR 抑制劑，IC50 值為 1.76 μM；能激活自噬 (autophagy)，在動物模型中防止心臟功能惡化。 |
| ATP 競爭性的 mTOR 抑制劑，IC50 為 5 nM；能抑制 mTORC1 和 mTORC2；在體外能誘導(dǎo)自噬 (autophagy) 激活。 |
| 抑制肝臟中的線粒體呼吸鏈，導(dǎo)致 AMPK 活化，增強胰島素敏感性，可用于 2 型糖尿病的研究；可以透過血腦屏障，誘導(dǎo)自噬 (autophagy)。 |
| Cell Counting Kit-8，簡稱CCK-8試劑盒或CCK8試劑盒，是一種基于WST-8而廣泛應(yīng)用于細胞活性和細胞毒性檢測的快速、高靈敏度試劑盒。 |
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參考文獻
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