mTOR介导抗阻运动骨骼肌蛋白质合成机制研究进展

王平 李敏 丁树哲

1 华东师范大学体育与健康学院（上海 200241）

2 太原科技大学体育学院 3 商丘师范学院体育学院

国内外学者普遍认为，长期反复抗阻运动导致骨骼肌肥大。其根源是蛋白质合成率远大于蛋白质分解以致蛋白质积累，导致肌纤维横截面积增大，骨骼肌质量增加［1］。已有研究显示，骨骼肌质量发生微小变化可能对骨骼肌功能起着决定性作用［2］。以往研究显示，抗阻运动导致骨骼肌IGF-1 mRNA和蛋白表达均增加［3］。骨骼肌外源性补给IGF-1，蛋白合成明显增加［4］，提示运动促进旁分泌途径或骨骼肌自分泌途径，导致骨骼肌IGF-1增加，促进蛋白质合成增加。但最近，Spangenburg等人对上述观点提出质疑，他们使用IGF-1受体转基因大鼠研究发现，虽然IGF-1和胰岛素能与IGF-1受体结合，但不能活化蛋白激酶B（Akt/protein kinase B，PKB），未引起下游信号发生，但发生骨骼肌肥大，提示IGF-1信号并不是调控骨骼肌肥大的唯一信号；同时，他们也证实mTOR信号途径是骨骼肌肥大所必需的［5］。本文对近年来mTOR介导抗阻运动骨骼肌蛋白质合成的机制研究进行综述，为骨骼肌肥大的细胞调控机制研究提供参考。

1 mTOR与抗阻运动骨骼肌蛋白质合成

抗阻运动是骨骼肌蛋白质合成与肌细胞增长强有力的刺激剂，其机制是mTOR通路的激活。mTOR是一种非典型丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，分子量289 kDa，为磷脂酰肌醇激酶相关激酶（phosphatidylinositol kinase-related kinase，PIKK）蛋白质家族成员，在进化上高度保守［6］。mTOR具有广泛生物学功能，可整合营养、能量及生长因子等多种细胞外信号，参与基因转录、蛋白质翻译、核糖体合成等过程，在细胞生长过程中发挥极其重要的作用。在哺乳动物细胞中，mTOR存在两种不同复合物形式，即mTORC1（mTOR complex1）和mTORC2（mTOR complex2）。TORC1 由 mTOR、Raptor（regulatory associated protein of mTOR） 和Gβl（G protein β-subunit-like，也称 mLST8）形成一个对雷帕霉素（rapamycin）抑制敏感的复合物。TORC2复合物由mTOR、Rictor（rapamycininsensitive companion of mTOR）、mLST8和 Sin1（stress-activated-protein-kinase-interacting protein 1，也称 Mip1）构成［7］。

到目前为止，许多研究证实：抗阻运动诱导骨骼肌肥大过程中，两种形式mTOR均起着调节蛋白质合成的作用［7，8］，主要机制可能是mTOR通过磷酸化其下游靶蛋白40S核糖体S6蛋白激酶（p70ribosomal proteinS6 kinases，p70S6K）， 如S6K1及真核启动因子4E结合蛋白1（eukaryoticinit iationfactor4Ebindingprotein1，4E-BP1）来调节下游蛋白质翻译。活化的S6K1可磷酸化下游底物，如40S核糖体蛋白S6（p70S6）等，促进延长因子-1α（elongation fator-1α，EF-1α）、poly（A）结合蛋白等蛋白质翻译及表达。mRNA 5’端的7-甲基鸟苷帽子结构（cap）可被24 kDa的真核起始因子-4E（eukaryoticinitiationfactor-4E，eIF4E）识别并夹住，支架蛋白eIF4G与eIF4E及eIF4A结合并使后二者稳定。4E-BP1与eIF-4E结合并抑制其活性，进而抑制依赖eIF-4E转录的启动及蛋白质的表达。当mTOR磷酸化4E-BP1后，可使其激活，活化的4E-BP1与eIF-4E分离，从而促成eIF4E与eIF4G结合，eIF4F复合物形成，促进cap-依赖的翻译［9］。Hans［10］研究一次性抗阻训练发现，肌肉蛋白质合成率在运动过程中明显下降，运动后1~2小时mTOR通路激活，即mTORSer2448位点发生磷酸化，其上游分子Akt及下游分子S6K1和4E-BP1活性明显增强，蛋白质合成率明显增加，提示mTOR是调控蛋白质翻译开始的关键蛋白。

2 Akt信号通路与mTOR调节抗阻运动蛋白质合成

目前，研究比较清楚的调控抗阻运动骨骼肌mTOR信号途径的轴是IGF-1/Akt/mTOR。其具体机制为：IGF-1/胰岛素等生长因子与骨骼肌细胞膜上的受体特异性结合，引起其受体发生磷酸化，磷酸化的受体募集其受体底物-1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）到细胞膜并使其发生磷酸化，磷酸化的IRS-1激活磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）。该激酶的活化使位于细胞膜上的磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol 4,5 trisphosphate，PIP2）磷酸化，即在其肌醇环3位上添加一个磷酸基团，从而形成PIP3（phosphatidylinositol 3,4,5 trisphosphate，PIP3）。PIP3的形成对于Akt的募集及mTOR的激活是必需的［11，12］。Akt/PKB对mTOR信号的调控是通过结节性硬化症复合物（tuberous sclerosis complex，TSC）完成的。TSC 蛋白复合物是TSC1和TSC2的异质二聚体，它对mTOR活性具有抑制作用。TSC1或TSC2基因剔除细胞或动物均具有高活性mTOR［13］。最近研究发现Rheb作为TSC 基因的下游作用因子参与了mTOR通路的调控，其具体机制可能是Rheb（一种单体蛋白）与GTP或GDP结合引起的结构改变使其处于激活或失活状态。TSC蛋白具有和Rap1-GTP酶激活蛋白（GTPaseactivating protein，GAP）高度同源的GAP区域，可激活内源性GTP 酶活性，从而使Rheb蛋白结合的GTP变为GDP，导致Rheb蛋白失活。TSC2 C端GAP区域高度保守，与Rheb蛋白的相互作用具有特殊GTPase和GAP的结合区域，是TSC2的靶分子［14，15］。在结节性硬化症患者中发现mTOR通路活性增高，而Rheb蛋白和TSC蛋白分别作为mTOR通路的正性和负性调节因子［16］；Akt直接使TSC2上的许多残基磷酸化，至少2个位点，分别是Ser939和Thr1462，TSC2磷酸化抑制了GAP活性，导致Rheb-GTP结合增加，同时增强了mTOR活性。Nader等［17］利用急性负载模型研究发现，在机械刺激后即刻，Akt苏氨酸308和丝氨酸473发生磷酸化。在肌肉肥大代偿模型中发现，Akt磷酸化水平明显提高［5］。Wan［18］等发现骨骼肌TSC1发生过度表达，导致骨骼肌质量下降20%，胫骨前肌和趾长伸肌横截面积均明显下降，导致肌肉萎缩。根据上述情况推测，对TSC1基因的抑制可能是骨骼肌发生肥大的关键因素；而TSC2没有发生明显变化，但是表现出对mTOR信号的明显抑制。也有研究在骨骼肌肥大代偿模型中发现，TSC2 Ser1345和 Thr1462 位点发生了磷酸化［19］。Drummond［20］等进行一次抗阻运动和营养补充，利用肌肉活检技术研究发现，运动后6小时TSC1 mRNA和TSC2 mRNA明显下降，Rheb mRNA明显增加。尽管关于这方面的报道不是很多，但是这些发现足以证明Akt的下游因子TSC和Rheb在调控mTOR通路方面具有重要作用。

由于mTOR通路调控比较复杂，描述具体机制相对困难，目前了解比较清楚的是，只要使mTOR分子的Ser-2448位点和Ser-2481位点发生磷酸化的蛋白，均能直接或间接影响mTOR的活性，从而进一步调节S6K1和4EBP-1活性，以调控蛋白质翻译。机械负载能够使mTOR分子Ser-2448位点发生磷酸化，从而激活mTOR通路［21］。抗阻运动明显增强mTOR通路，其下游因子S6K1和4EBP-1的活性也明显增加，骨骼肌蛋白合成增加［22］。

3 氨基酸与mTOR调节抗阻运动蛋白质合成

除Akt调节mTOR途径外，氨基酸作为重要的营养信号也调控mTOR通路，调节蛋白质合成。对哺乳动物细胞的研究发现，如果氨基酸缺乏，尤其是亮氨酸缺乏，mTOR通路抑制，导致蛋白质合成率明显减少；但如果补充氨基酸，这种现象立即发生逆转［23］。有关啮齿类动物和人的实验证实，补充必需氨基酸尤其是亮氨酸可通过激活mTOR通路进而增强蛋白质合成［24，25］。目前，氨基酸调节mTOR通路这一观点已被普遍接受，但其具体机制尚不明确。有学者提出氨基酸调节mTOR通路依赖TSC1/TSC2［26］，也有学者提出其独立于TSC1/TSC2［27］。一些研究显示，Rheb在氨基酸调控mTOR通路中必不可少［28］，氨基酸缺乏会导致Rheb与mTOR结合减弱［29］。但也有相反的观点，即Rheb不参与mTOR通路，而是氨基酸缺乏时，引起mTOR复合物构型变化，最终导致mTOR活性下降［30］。最近研究显示，hVps34参与氨基酸调节mTOR通路，并且完全独立于Akt/PKB-TSCRheb通路［31，32］。对果蝇和哺乳动物细胞的研究发现，Rag蛋白的异源二聚体复合物在氨基酸调节 mTOR/TORC1 通路中起重要作用［33，34］。但在mTOR/TORC1通路中，hVps34、Rag与氨基酸之间如何调节，尚不清楚，需要进一步研究。关于氨基酸与抗阻运动方面的研究很少。Hartman等［35］证实，补充必需氨基酸尤其是亮氨酸的同时进行抗阻运动能明显增加蛋白质合成率，使肌纤维横截面积明显增大，骨骼肌质量明显增加。为了进一步证实其研究结果，他们进行了细胞培养，发现氨基酸能够促进蛋白质合成，并且激活mTOR，从而激活其下游p70S6激酶。此激酶的功能是磷酸化核糖体S6，它在蛋白质翻译过程中非常重要。其具体机制可能与细胞内钙离子和hVps34有关，但是否直接作用于mTOR还不是很清楚。最近研究显示，氨基酸可通过Rag GTPases，Rheb或MAP激酶4间接调节mTOR信号传导通路。但是氨基酸不会激活Akt，因此，它不会作用于Akt/mTOR信号的上游，提示胰岛素样生长因子/胰岛素和氨基酸通过各自独立的途径影响mTOR信号。

4 机械刺激与mTOR调节抗阻运动蛋白质合成

自Bodine［36］发现机械负载导致骨骼肌肥大与mTOR通路有关以来，许多学者也证实了在哺乳动物骨骼肌肥大方面，机械负载确实激活了mTOR信号。但是关于他们之间确切机制了解不多。离体肌肉拉伸和细胞培养拉伸模型证实：（1）被动拉伸刺激对于mTOR信号的激活是必需的；（2）拉伸刺激激活mTOR信号独立于PI3K；（3）机械拉伸在氨基酸或生长因子均缺乏的状态下仍能激活mTOR信号［37-39］。且拉伸刺激激活mTOR通路时必须有细胞骨架［7］。另外，其他一些研究发现，拉伸刺激激活mTOR通路中磷脂酶D1（phospholipase D1，PLD1）和磷脂酰胆碱水解产生的第二信使物质磷脂酸（phosphatidic acid，PA）也参与了此过程［40］。其具体机制可能是PA与mTOR抑制剂雷帕霉素/FKBP12复合物竞争性结合mTOR的FRB结构域［28］。最近，Sun［41］的实验室证实，Rheb活化mTOR信号时PLD1是必需的，他们在实验过程中将PLD1放置于Rheb的下游和mTOR的上游，结果提示，机械刺激激活mTOR通路完全独立于氨基酸和生长因子路径。因此认为，机械刺激、氨基酸和生长因子途径对于mTOR通路的激活起着协同作用。另有人报道［42］，AMPK活性变化对mTOR也产生一定影响。Thomson和Brown观察到，肌肉中AMPK表达增加，肌肉发生萎缩，提示AMPK与mTOR呈负向调控。

另外，mTOR的活性也直接或间接受REDD2、PRAS40、rictor和raptor的影响。已有研究报道，REDD2过度表达明显降低了mTOR活性［43］。值得注意的是，REDD2影响mTOR的机制似乎完全独立于Akt，但其机制与TSC1/TSC2密切相关。另一信号分子PRAS40通过与raptor间接作用抑制mTOR通路，同时Akt通过磷酸化PRAS40的Thr-246位点，使PRAS40从mTOR复合物中分离出来，最终减缓了PRAS40对mTOR通路的抑制［21］。那么 REDD2、PRAS40、rictor和 raptor在抗阻运动骨骼肌肥大过程中是否与Akt有关，他们又如何影响mTOR信号分子，关于这方面研究的文献极少。例如Raptor是mTOR的一个调节性蛋白，包括4EBP1和p70s6k，他们能够使mTOR结构发生磷酸化，导致骨骼肌肥大，但其具体作用机制还需进一步研究。

5 小结

mTOR信号通路在骨骼肌肥大的蛋白质合成中起重要作用，但调控mTOR通路的确切机制尚不清楚。尤其关于细胞膜如何将细胞外信号转导到细胞内，如何刺激mTOR信号的发生，如何刺激相关下游信号分子的蛋白合成，尚需进一步研究。

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