mTORC1信号通路对能量代谢调控作用及其机制

李继维　张莹

摘 要：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTORC1）通路是细胞内最主要的能量感受器，能感受营养和激素、与能量需求相关的多个细胞功能的调节相关的上游调节信号。调节下游信号从而影响不同的细胞代谢，从蛋白质和脂质合成到线粒体活性等不同方面调节细胞代谢。作为对细胞代谢过程的调节，mTORC1的活性在外周激活有利于脂肪细胞活化，脂肪生成，葡萄糖摄取和β细胞数量的增加。本文综述了现有的知识对mTORC1的作用在能量平衡和能量代谢的调节，特别是旨在提供有关mTORC1在功能细胞中心能够整合不同激素的作用的背景下的研究进展进行了综述。

关键词：mTORC1复合物；能量代谢；雷帕霉素

中图分类号：R339.6 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2018.03.016

文章编号：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

適当的细胞功能和机体的生存取决于准确的能量可用性和随着细胞生长和代谢活性的耦合性，在过去十年中，mTORC1已成为一个重要的细胞能量传感器，因为它能够对营养物质、生长因子、激素信号、氧的可用性、蛋白质合成、脂质合成、溶酶体的生物合成、细胞自噬和神经形态活动等过程进行调节[1]。在生物体水平，mTORC1是通过控制食物摄入和体重变化在中枢神经系统的作用参与能量平衡和代谢的调节，在外周器官，mTOR影响葡萄糖和脂质代谢，对一些特征的疾病如肥胖症、2型糖尿病、癌症和神经退行性疾病有特殊的调节作用，证据表明，在维持代谢平衡中mTORC1的重要性进一步凸显。

1 mTORC1复合物

mTORC1是mTOR的一种复合物，mTOR是一种进化上保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，在细胞内，mTOR与其他蛋白质相结合形成是两个不同的复合物，称为mTOR复合物1（mTORC1）和mTOR复合物2（mTORC2），两者表现出对雷帕霉素不同的敏感性，mTORC1对雷帕霉素的抑制作用较为敏感。mTOR的催化结构域包含不同的磷酸化位点是位于上游的目标（即蛋白激酶AMPK，Akt）和下游（即S6K）等，从而调节mTOR活性[2]。mTORC1的特征成分是Raptor，Raptor没有内源酶的活性，但它是mTORC1激酶活性和调节下游底物必不可少的。mTORC1作为mTOR两种信号复合物之一，表现出了mTOR的主要调节机制。通过快速响应细胞内能量水平、营养素、生长因子和激素，可控制多种细胞功能，包括蛋白质的合成和基因转录翻译[3]。mTORC1也是参与能量平衡与代谢调控最复杂机制。

2 mTORC1的调节因子

2.1 mTORC1的上游调控因子 mTORC1可整合上游信号转导通路，参与生理和病理过程。一些上游刺激信号，如生长因子、激素、营养物质（如氨基酸和葡萄糖）、三磷酸腺苷（ATP）、细胞应激和氧。通过上游调节因子或直接调节mTOR激酶有助于mTORC1的激活。

丰富的大脑RAS同源物（Rheb）在与GTP结合的条件下激活mTORC1。TSC1/2异二聚体是mTORC1上游的关键负性调控因子，它作为GTP酶的激活蛋白，可使下游的Rheb处于与GTP解离的失活状态，从而抑制mTORC1。胰岛素和生长因子如胰岛素样生长因子1（IGF1）通过磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/蛋白激酶B（PKB或Akt）激活mTORC1信号通路[4-5]。

胰岛素激活mTORC1能力受损后，减少细胞内ATP水平引起的糖供应下降或对线粒体呼吸的抑制作用，提示细胞能量直接影响mTOR激酶的活性。细胞内ATP水平对mTOR活性的影响已被归因于高的离解常数。然而，降低对葡萄糖的利用从而降低ATP水平只有约两倍，这不太可能是ATP影响mTORC1的活性主要机制。缺氧或DNA损伤或低的ATP水平从而磷酸化蛋白激酶（AMPK）。然后直接磷酸化AMPK激活TSC2，激活其GTP酶功能，从而抑制rheb-mtorc1信号通路。此外，通过直接磷酸化AMPK抑制mTORC1信号[6]。相反，mTORC1下游底物S6激酶（S6K-1）可负调控AMPK，表现与下丘脑通过激素、瘦素对食物摄入进行调节有关[7-8]。细胞应激、缺氧等损伤的DNA也可以抑制mTORC1。特别是，缺氧诱导的DNA损伤反应1（REDD1）的转录表达调控，从而激活TSC2。有趣的是，缺氧诱导因子1α（HIF1α），对细胞内氧浓度的变化，不存在这样的的调解作用。

最后，氨基酸，是蛋白质、脂质和ATP合成中间产物，mTORC1的活性主要受支链氨基酸（BCAA）的调节，如亮氨酸和精氨酸[9]。然而，这一重要激活mTORC1的机制也是目前了解最少的一个调节机制[8]。氨基酸利用率似乎是通过2个途径作用于mTORC1：第一个导致细胞内钙水平的增加，激活人的空泡分选蛋白34（hvps34），III类磷脂酰肌醇3激酶；二是作用于GTP酶调节剂（lamtor1-3）和液泡H（+）-ATP酶（V-ATPase），从而促进mTORC1的迁移到溶酶体表面从而激活mTORC1[10]。

2.2 mTORC1下游的调控分子 由于mTORC1是在细胞和机体水平的关键能量调节传感器，其信号通路参与多种重要的细胞过程，从调控蛋白质合成到线粒体的生物合成和功能。

蛋白质的合成和翻译是细胞生长必不可少的，是最好的研究细胞功能受mTORC1影响的一个调节通路。特别是mTORC1的磷酸化S6K1和eif-4e-binding蛋白1（4E-BP1），分别诱导mRNA的生物合成和翻译[2]。S6K1还参与翻译起始和延伸。此外，还促进核糖体RNA的表达和转移RNA（tRNA）转录[3]。S6K1磷酸化状态，其下游靶S6核糖体蛋白（S6）和4EBP1作为主要的细胞和组织中的mTORC1活性标志物。值得注意的是，对mTORC1通路可通过IRS蛋白对S6K1依赖性抑制胰岛素介导的PI3K/Akt通路持续激活。这种负反馈可能会导致细胞胰岛素的脱敏和抵抗（恩等，2004）。除了控制蛋白质的合成，mTORC1积极参与核糖体和线粒体ATP合成。特别是，mTORC1通过激活HIF1α调控翻译转录增加糖酵解通量[11]。而其他的一些研究已经表明，mTORC1激活PPARγ共激活因子1α和允許与转录因子相互作用的YY1增加线粒体DNA含量和氧化代谢。

mTORC1可调节细胞膜的生成所需的脂类合成，特别是固醇调节元件结合蛋白的合成从而推动细胞的生长[11]。此外，mTORC1激活时通过上调过氧化物酶体增殖物激活受体（PPARγ）的表达和活性可促进脂质积累。

最后，在营养丰富的条件下，mTORC1促进细胞代谢从而抑制细胞自噬过程。在营养缺乏条件下，mTORC1促进细胞内受损的细胞器的再利用和细胞适应细胞器损伤需要一个过程[3]。特别是，mTORC1可磷酸化自噬UNC-51-样激酶1（ULK1），抑制AMPK的自噬体的形成，抑制其作用，从而最终阻止自噬。

mTOR通路的调节（图1）：激素、生长因子和营养物质等上游信号可以激活mTORC1通路。不同的上游激酶如AKT、ErK等通过抑制TSC1/TSC2调节mTORC1的活性。低葡萄糖，低ATP和低氧水平以及DNA损伤导致AMPK激活，抑制mTORC1激活TSC1/TSC2或直接磷酸化mTORC1组件Raptor。氨基酸诱导人液泡蛋白分选34激活（hvps34）和 GTP酶来调节mTORC1的活性。反过来，mTORC1激活导致其下游靶核糖体蛋白S6激酶的磷酸化（活化），核糖体蛋白S6（S6K1）和真核起始因子4E结合蛋白（4E-BP1）和多种细胞功能的调节。

3 mTORC1对糖的调节作用

在外周的代谢相关的组织中mTORC1可以说是最重要的细胞内营养调节的信号转导通路，如mTORC1在骨骼肌和胰腺内分泌的活性和葡萄糖的摄取和代谢之间的调节关系一直是研究热点。在肌肉细胞2-脱氧葡萄糖体外暴露时，能快速抑制mTORC1，而雷帕霉素抑制葡萄糖氧化同时导致脂肪酸氧化，而mTORC1活性导致几种类型细胞的葡萄糖转运蛋白的表达增加，从而促进葡萄糖的摄取[12-13]。现有的证据也支持mTORC1信号对胰岛素敏感性的调节的作用。事实上，S6K1，一旦被激活后，通过负反馈回路调节胰岛素信号通路。如果暴露于慢性高脂饮食时，mTORC1通路的不断激活，最终导致IRS1磷酸化和胰岛素抵抗。mTOR持续活化可能因此表现出生理适应机制最初旨在减少葡萄糖代谢及对细胞造成的氧化应激诱导的胰岛素抵抗。在这种解释的支持，最近的研究表明，胰岛素抵抗在Zucker肥胖大鼠的心脏出现mTORC1的活性增加，从而增加血管紧张素Ⅱ型受体（AT2R）表达保护适应营养过剩[14]。

葡萄糖需要功能性mTORC1信号正向调节β-细胞的生长和增殖，诱导胰岛素的合成[15]。因此，S6K1和S6基因敲除小鼠显示胰岛大小减少、葡萄糖耐受不良和低胰岛素血症。相反，遗传模型的特点是由一个特定的β细胞过度性激活mTORC1，如那些缺失的TSC2或LKB1（上游激酶激活AMPK）的β-细胞，出现β细胞质量增加和葡萄糖耐受性个改变。值得注意的是，雷帕霉素作为mTOR信号通路的特异性抑制剂，当雷帕霉素被用于治疗癌症（如肾细胞癌）或诱导器官移植免疫抑制时，葡萄糖不耐受和糖尿病发展是雷帕霉素及其衍生物常见的副作用[15]。雷帕霉素具有抑制β细胞增殖，诱导细胞凋亡，在动物模型中通过抑制葡萄糖刺激的胰岛素分泌引起肥胖糖尿病。

4 mTORC1调节脂质代谢

mTOR的信号传导通路在食物充足的时候被激活，mTOR及其复合物正向调节脂肪合成，抑制脂肪分解。药理和遗传研究表明，骨髓间质干细胞分化为成熟脂肪细胞需要mTORC1信号。总体表明，mTORC1有助于促进脂肪细胞分化。一些遗传模型，进一步支持了mTORC1在脂质代谢中的至关重要的作用，mTORC1激活终端脂肪细胞分化。通过mTORC1控制脂肪细胞的分子机制是目前积极探索的主题，它们涉及C/EBP-α和PPARγ，和其他的一些分子靶点[6]。有趣的是，胰岛素诱导脂肪生成取决于mTORC1，mTORC1的活性有利于增加脂肪细胞瘦素产生。mTORC1信号已被证明能够抑制脂肪组织中的脂解过程。特别是，mTORC1抑制后增加已知甘油三酯脂肪酶（ATGL）在脂肪细胞中的转录，进而刺激脂解[16]。相反，激活mTORC1后激素敏感脂肪酶（HSL）的活性降低和减少释放游离脂肪酸[17]。最后，有越来越多的证据表明，mTORC1抑制脂肪酸的氧化和酮体生成[6]。事实上，TSC1基因敲除小鼠肝脏特异性生酮作用的缺陷，而肝细胞特异性基因敲除的小鼠禁食后Raptor激活可诱导增加生酮作用。因此，到目前为止提供的证据表明，mTORC1有利于脂肪的合成和脂肪合成的脂质代谢发挥明显作用，从而促进脂质合成和贮存，同时抑制脂肪分解，在脂肪酸氧化和生酮作用中所发挥的重要作用，高血脂成为经常利用这种药物治疗的患者中的另一个重要的副作用，也说明雷帕霉素能诱导的高血脂。

6 mTORC1調节氨基酸代谢

mTORC1信号通路是细胞内重要的调控蛋白质代谢通路之一，氨基酸氨基酸不仅是合成蛋白质的底物，同时也作为一种信号分子参与调控mTORC1信号通路，溶酶体是氨基酸激活mTORC1信号通路的一个关键细胞器，溶酶体表面的v-ATPase、Ragulator、Rag GTPase等复合体为mTORC1在溶酶体上的定位提供停泊位点，Ragulator-Rag所介导mTORC1在溶酶体表面的定位是氨基酸激活mTORC1信号通路的关键步骤[18-19]。氨基酸必须首先在溶酶体腔内蓄积才能起始感应信号，且是一种依赖于溶酶体氨基酸转运感受体SLC38A9的作用方式，上述研究结果有利于深入理解氨基酸调节mTORC1信号通路的作用机制。随和研究的深入，参与氨基酸调节mTORC1上游信号通路的调节蛋白质陆续被发现，Sesterins、GATOR2、GATOR1均被发现参与调节此信号通路，但GATOR复合体对MTORC1的调节并不依赖Ragulator[20]。

7 总结与展望

mTORC1信号通路是参与多种细胞功能的调节重的要调节通路，在能量平衡的外周代谢和中枢神经系统调节中起关键作用。 mTORC1和mTORC2对代谢平衡的调节的关系还需要进一步的研究。一些不同的观点任然存在，临床上，mTORC1是肥胖、糖尿病、癌症和神经退行性疾病治疗的潜在目标。然而，只有各mTORC1复合物确切的分子机制和新化合物专门针对这些新发现的机制后将更进一步扩大在临床上的应用。

参考文献：

[1]Costa-Mattioli M，Monteggia LM.mTOR complexes in neurodevelopmental and neuropsychiatric disorders[J].Nat Neurosci，2013，16（11）：1537-1543.

[2]Martínez de Morentin PB，Martinez-Sanchez N，Roa J，et al.Hypothalamic mTOR：the rookie energy sensor[J].Curr Mol Med，2014，14（1）：3-21.

[3]Laplante M，Sabatini DM.Regulation of mTORC1 and its impact on gene expression at a glance[J].J Cell Sci，2013，126（Pt 8）：1713-1719.

[4]Laplante M，Sabatini DM.mTOR signaling in growth control and disease[J].Cell，149（2）：274-293.

[5]Dennis PB，Jaeschke A，Saitoh M，et al.Mammalian TOR：a homeostatic ATP sensor[J].Science，2001，294（5544）：1102-1105.

[6]Sengupta S，Peterson TR，Sabatini DM.Regulation of the mTOR complex 1 pathway by nutrients，growth factors，and stress[J].Mol Cell，2010，40（2）：310-322.

[7]Dagon Y，Hur E，Zheng B.p70S6 kinase phosphorylates AMPK on serine 491 to mediate leptin's effect on food intake[J].Cell Metab，2012，16（1）：104-112.

[8]Bauchart-Thevret C，Cui L，Wu G，et al.Arginine-induced stimulation of protein synthesis and survival in IPEC-J2 cells is mediated by mTOR but not nitric oxide[J].Am J Physiol Endocrinol Metab，2010，299（6）：E899-E909.

[9]Jenna L，Jewell，Kun-Liang Guan.Nutrient signaling to mTOR and cell growth[J].Trends Biochem Sci，2013，38（5）：233-242.

[10]Yoon MS，Du G，Backer JM，et al.Class III PI-3-kinase activates phospholipase D in an amino acid-sensing mTORC1 pathway[J].J Cell Biol，2011，195（3）：435-447.

[11]Düvel K，Yecies JL，Menon S，et al.2010.Activation of ametabolic gene regulatory network downstream of mTOR complex1[J].Mol Cell，2010，39（2）：171-183.

[12]Hagiwara A，Cornu M，Cybulski N，et al.Hepatic mTORC2 activates glycolysis and lipogenesis through Akt，glucokinase，and SREBP1c[J].Cell Metab，2012，15（5）：725-738.

[13]Meng ZX，Li S，Wang L，et al.Baf60c drives glycolytic metabolism in the muscle and improves systemic glucose homeostasis through Deptor-mediated Akt activation[J].Nat Med，2013，19（5）：640-645.

[14]Pulakat L，DeMarco VG，Ardhanari S，et al.Adaptive mechanisms to compensate for overnutrition-inducedcardiovascular abnormalities[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2011 ，301（4）：R885-R895.

[15]Deldicque L，Cani PD，Philp A，et al.The unfolded protein response is activated in skeletal muscle by high-fat feeding：potential role in the down-regulation of protein synthesis[J].Am J Physiol Endocrinol Metab，2010，299（5）：E695-E705.

[16]Chakrabarti P，English T，Shi J，et al.Mammalian target of rapamycin complex 1 suppresses lipolysis，stimulates lipogenesis， and promotes fat storage[J].Diabetes，2010，59（4）：775-781.

[17]Soliman GA，Acosta-Jaquez HA，Fingar DC.mTORC1 inhibition via rapamycin promotes triacylglycerol lipolysis and release of free fatty acids in 3T3-L1 adipocytes[J].Lipids，2010，45（12）：1089-1100.

[18]Varela L，Martínez-Sánchez N，Gallego R，et al.Hypothalamic mTOR pathway mediates thyroid hormone-inducedhyperphagia in hyperthyroidism[J].J Pathol，2012，227（2）：209-222.

[19]Villanueva EC，Münzberg H，Cota D，et al.Complex regulation of mammalian target of rapamycin complex 1in the basomedial hypothalamus by leptin and nutritional status[J].Endocrinology，2009，150（10）：4541-4551.

[20] Wan M，Leavens KF，Saleh D，et al.Postprandial hepatic lipid metabolism requires signaling through Akt2independent of the transcription factors FoxA2，FoxO1，and SREBP1c[J].Cell Metab，2011，14（4）：516-527.

收稿日期：2017-10-9；修回日期：2017-10-18

編辑/成森