mTOR信号通路:细胞生长、代谢与疾病的关键调控者

文摘   2024-09-20 06:07   比利时  
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1. 背景

The mammalian target of rapamycin(哺乳动物雷帕霉素靶蛋白,mTOR)是一种参与调控真核细胞生长和代谢的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶研究发现,mTOR信号通路与细胞对营养和生长因子的响应密切相关,调控包括蛋白质合成、自噬等多个细胞过程。mTOR信号通路的失调与多种疾病的发生发展有关,如癌症、糖尿病和衰老,因此成为了一个重要的研究热点。

The quantity of nutrients present tells our cells if it’s a good time for them to grow or not. Our cells’ ability to tell this difference is crucial for our wellbeing. But unfortunately, this ability declines with time. This decline is called “deregulated nutrient sensing”, and is one of the nine hallmarks of ageing. Nutrient sensing by our cells happens via four pathways, IGF-1, mTOR, sirtuins and AMPK.

2. mTORC1和mTORC2

mTOR 形成了两个不同的蛋白质复合体:mTORC1和mTORC2。

  • mTORC1 主要通过促进蛋白质、脂质和核苷酸合成来控制细胞生长,同时抑制自噬等分解代谢过程。

  • mTORC2 则参与细胞存活和增殖,主要通过磷酸化和激活 Akt 和其他AGC 家族激酶来发挥作用。

mTORC1 和 mTORC2 信号通路

mTORC1 亚基和 mTOR 上的相应结合位点。mTORC1 与 FKBP12-雷帕霉素复合物(不含 DEPTOR 和 PRAS40,PDB:5FLC)复合的 5.9-A° 低温电子显微镜结构被描绘为空间填充模型,并按亚基着色。

mTORC2 亚基和 mTOR 上的相应结合位点

3. mTOR的下游信号通路

  • mTORC1 通过两大关键效应物 p70S6K 和 4EBP 调节蛋白质合成。mTORC1 还通过调控脂质和核苷酸合成、糖代谢,维持细胞生长所需的能量和物质供应。此外,mTORC1 抑制自噬,调控蛋白质的降解平衡。

  • mTORC2 通过磷酸化 AGC 家族的多种激酶,尤其是 Akt,调控细胞存活和代谢。Akt 的激活促进细胞增殖,并通过抑制 TSC2 进而激活 mTORC1,形成一种反馈调控机制。

4. 上游调控机制

mTORC1 的活性受到多种上游信号的调节,包括生长因子、能量状态(如ATP水平)、氧气供应、DNA损伤和氨基酸浓度等。尤其是通过 TSC1/TSC2 复合物及Rag GTP酶,mTORC1 可以感知细胞中的营养和能量状态,从而决定其活性。
5. mTOR的生理、病理作用
mTOR 在调节机体代谢、维持糖稳态、脂质代谢、免疫反应、肌肉功能及脑功能中起着重要作用。

TSC2基因敲除导致mTORC1过度激活,使小鼠快速丧失葡萄糖耐受性,导致早期糖尿病。这表明mTORC1信号过度活跃可能加速β细胞功能的衰退,促使糖尿病的发生。
② 与此相对,正常衰老过程中,mTORC1信号通路的活性相对平衡,小鼠的葡萄糖耐受性下降较为缓慢,糖尿病发生得较晚。
该图表明mTORC1信号通路在维持正常的β细胞功能及代谢健康中的关键作用,同时也突出了TSC2基因作为mTORC1的抑制因子在调控葡萄糖代谢和糖尿病发生中的重要性。

mTOR 信号的失调与癌症的发生和发展密切相关。mTORC1 是许多常见癌症信号通路的下游效应分子,如 PI3K/Akt 和 Ras/Erk。过度激活的 mTORC1 会推动细胞异常增殖,促进肿瘤形成。

研究表明,mTOR 信号的抑制与寿命延长以及衰老相关疾病的延缓有关抑制 mTORC1 活性可以减少蛋白质合成相关的应激反应,增加自噬,清除细胞内的损伤蛋白和器官,有助于延缓衰老进程。

When mTOR is high, it promotes growth in the body and can even stimulate the growth of cancer and tumor cells. When mTOR is low, it works on repair and maintenance for the body. Low mTOR stimulates autophagy (recycling of damaged and old proteins into new amino acids to build new tissues). This slows down the ageing process. 

While activation of the mTOR pathway is great for growth and energy, it's the opposite for longevity! Tissue growth and extended lifespans are mutually exclusive. This is clearly observable in animals. Animals that grow quickly, like mice, worms and insects, have very short lifespans. And animals that grow slowly, like elephants and whales, have very long lifespans.

Thus, mTOR pathway is a hallmark of ageing and too much activity in this pathway can also contribute to a number of chronic diseases like: Cancer, Obesity, Type-2 diabetes, Neurodegeneration.

mTOR has been linked to multiple hallmarks of aging: nutrient sensing, maintenance of proteostasis, autophagy, mitochondrial dysfunction, cellular senescence, and decline in stem cell function.

Inhibiting the mTOR pathway improves insulin sensitivity and promotes autophagy. Inhibiting mTOR in older mice has shown increased longevity.

6. 结论与展望

mTOR 信号通路在细胞代谢和生长调控中扮演核心角色,其失调与多种人类疾病密切相关。未来的研究方向包括开发更精准的 mTORC1 特异性抑制剂,以用于代谢疾病、神经退行性疾病和癌症的治疗。

【Reference】

Saxton RA, Sabatini DM. mTOR Signaling in Growth, Metabolism, and Disease. Cell. 2017 Mar 9;168(6):960-976.
News Medical
The mTOR Pathway, Simplified by Dr. Marcus Ranney

留比小李
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