mTOR/S6K 1信号通路研究进展

刘效磊 牛燕媚 傅力，2

1天津体育学院健康与运动科学系（天津 300381）

2天津医科大学康复与运动医学系（天津 300070）

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是哺乳动物细胞内感受细胞外营养、能量水平以及生长因子等信号变化的一种丝/苏氨酸蛋白激酶。当细胞外环境发生变化时，mTOR通过激活下游效应蛋白 S6K1（ribosomal protein S6 kinase，polypeptide 1）参与调节细胞生长、分化增殖以及蛋白质合成等过程。S6K1的激活可以通过磷酸化S6核糖体蛋白，促进细胞增殖及蛋白质合成。研究表明，能量物质摄入过多导致的mTOR过度激活可以引起S6K1上Thr421/Ser424位点磷酸化增加，进而提高胰岛素受体底物1（insulin receptor substrate 1，IRS-1）上Ser636/639位点丝氨酸磷酸化水平，引发 机 体 胰 岛 素 抵 抗 （insulin resistance，IR）。 因 此mTOR/S6K1与细胞内其他相关信号蛋白相互作用在肥胖和 IR 发生过程中起着重要作用［1，2］。针对mTOR/S6K1信号通路激活与抑制机制的深入研究，可为探寻治疗由细胞代谢紊乱引起的IR、2型糖尿病（T2DM）等代谢性疾病的药物作用靶点提供理论依据。本文就mTOR/S6K1信号通路分子调控机制以及运动对该信号通路影响的研究现状作一综述。

1 mTOR的分子结构及其复合物形式

mTOR蛋白结构复杂，由2549个氨基酸组成，分子量290kDa。其蛋白氨基端存在20个连续的HEAT重复序列，这种重复序列是蛋白质相互作用的重要位点，对mTOR在细胞内的定位具有重要作用。其蛋白羧基端的中部是激酶结构域（Kinase Domain），其氨基端一侧FRB（FKBP12-Rapamycin Binding） 域为 FKBP12（FK506-binding Protein，FK506结合蛋白）－雷帕霉素（Rapamycin）复合物与mTOR结合区域，该区域发生突变可以阻止Rapamycin对mTOR的抑制作用。与FRB相邻的是FAT域（Focal Adhesion Targeting Domain），其作用可能是与mTOR分子末端的FATC域（Focal Adhesion Targeting Domain of C-terminal）形成一个空间结构，从而暴露mTOR分子的催化域。在FATC域与激酶结构域之间还存在NRD域，是mTOR的负性调节域。

mTOR在细胞内与其他蛋白如Raptor（Regulatory-as sociated protein of TOR）和 Rictor（Rapamycin-insensitive component of TOR）等形成复合物形式而存在。其主要复合物有两种：mTOR-Raptor复合物（mTORC1）和mTOR-Rictor复合物（mTORC2）。mTORC1在细胞内发挥着重要作用，可以被雷帕霉素（Rapamycin）阻断。胞内营养素水平、生长因子等通过其调节下游靶蛋白如S6K1、4E-BP1（4E-Binding Protein 1）的活性，影响蛋白质翻译、核糖体合成等代谢过程，从而改变细胞生长和增殖状态。相对于mTORC1，mTORC2对于Rapamycin不敏感，其分子中多个结构域的功能目前仍不完全清楚。研究表明，mTORC2复合物参与细胞骨架蛋白的构建，并且能够作为Akt的上游信号分子参与Akt的激活［3］。胰岛素以及生长因子等通过 PI3K/Akt通路激活 mTORC1，而mTORC2对于Akt具有激活作用，mTORC1和mTORC2可能以此协同机制共同调节细胞内合成代谢过程。

2 生长因子以及PI3K/Akt通路对mTOR/S6K 1的调节

mTOR作为营养成分的感受器在IR的发生发展过程中发挥着重要作用。胰岛素和胰岛素样生长因子（IGF-1）等是mTOR重要的上游调节因子。IGF-1或胰岛素与靶细胞表面受体形成配基受体复合物，其受体酪氨酸发生自体磷酸化而激活。激活后的受体激活胰岛素受体底物（IRS），IRS的磷酸化诱导含有SH2（Src Homology 2）结构域的PI3K调节亚基P85的结合，并激活其催化亚基P110，诱导产生磷脂酰肌醇三磷酸（PIP3），引起蛋白激酶 B（PKB/Akt）磷酸化。Akt可以进一步激活mTOR，通过对mTOR底物S6K1的激活以及4E-BP1的抑制，促进细胞蛋白合成［4］。Akt可以通过直接磷酸化mTOR Ser2448位点引起 mTOR 的激活［5］。Akt对 mTOR的激活也可以通过磷酸化并抑制具有GAP（GTPase-Activating Protein）活性的 TSC2（Tuberous Sclerosis Complex 2），进而抑制 GTP水解并诱导 Rheb（Ras Homolog Enriched in Brain）-GTP的结合而激活mTOR。因而Akt可以通过TSC2/Rheb途径引起mTOR的激活。另有研究表明，mTORC1的另一结合物PRAS40（Proline-rich Akt Substrate of 40-kDa）通过 Raptor结合于 mTOR，而使mTORC1处于抑制状态。PRAS40作为Akt的重要作用底物，Akt的激活可引起 PRAS40的磷酸化并使其脱离mTORC1，从而解除对 mTORC1 的抑制作用［6］。

3 氨基酸对于mTOR的激活作用

氨基酸（Amino Acid，AA）、葡萄糖、脂肪酸等营养物质一般认为是机体能量代谢的主要原料。越来越多的研究表明，这些营养物质在细胞信号转导中也发挥重要作用，影响细胞的生长、增殖以及生存。在对于肝脏细胞自噬现象的研究中首先发现AA可能作为信号因子而调控代谢过程［7］。Hara等人研究发现，在缺乏胰岛素和其他生长因子的条件下，AA的大量存在可以极大地促进mTOR的两个重要底物—S6K1和4E-BP1的磷酸化，而给予Rapamycin后，这种磷酸化作用又被完全逆转，表明mTOR介导了AA对于S6K1的促磷酸化作用［8］。mTOR作为细胞内营养水平的感受器，其感受细胞AA水平的机制尚不完全清楚，其主要争议即在于TSC1/2是否参与了该过程。部分研究者认为，氨基酸对mTORC1的激活是通过抑制 TSC1/2或激活 Rheb的活性实现的［9，10］。而Nobukuni等运用 RNA干扰（RNAi）技术沉默 TSC1/2，加入AA后 S6K1活性增强，但Rheb-GTP水平并没有发生改变。这表明AA对于mTOR/S6K1的激活并不依赖于TSC1/2-Rheb信号通路［11］。而磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）的抑制剂——Wortmannin的运用，则可以阻断mTOR介导的AA对S6K1的激活作用。为了验证class1 PI3K在AA信号中的作用，Nobukuni研究小组运用RNAi沉默Class1 PI3K发现，在AA刺激下S6K1仍然可以被激活。而在相同条件下，胰岛素诱导的PKB和S6K1的活性则显著降低。而对hVps34（Human Vacuolar Protein Sorting 34）基因的沉默，则显著抑制了AA对于S6K1的激活作用。并且，在正常条件下给与细胞AA刺激后，hVps34的产物磷脂酰肌醇-3-磷酸（PI3P）水平明显升高。综上表明，hVps34可能介导了AA对于mTOR/S6K1的激活作用，而该信号通路的激活并不依赖于胰岛素激活的 PI3K-PKB-TSC1/2-S6K1 信号通路［11］。

4 运动对mTOR/S6K 1信号通路的调节效应

mTOR/S6K1是一条对运动、营养成分双敏感的信号通路［8，12］。苑红等人的研究表明，长期的有氧运动可以明显降低小鼠骨骼肌细胞内mTOR、S6K1的mRNA及蛋白表达水平［13］，提示有氧运动可以抑制mTOR/S6K1通路的活性。一磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-actived Protein Kinase，AMPK）作为高度保守的细胞内能量状态的感受器，可以在细胞高AMP状态时被激活，而目前大量研究已经证实，运动可以使骨骼肌细胞AMPK表达水平及其活性显著升高［14-16］，并且运动引起的AMPK的激活可以抑制 mTOR的活性［12］。由此推论，AMPK途径可能参与了运动对mTOR/S6K1信号通路的调节。

为研究 AMPK抑制 mTOR/S6K1活性的分子机制，Inoki等人通过限制细胞培养液的能量供应，引起细胞内AMP水平升高，使 AMPK激活后发现TSC2上Thr1227和Ser1345位点磷酸化水平显著提高，而S6K1上Thr389/421以及Ser424位点的磷酸化水平降低。为探究TSC2在其中的作用，运用RNAi技术对细胞TSC2基因沉默后发现，在AMPK激活的状态下，细胞S6K1的去磷酸化受到抑制［17］。提示TSC2位于AMPK下游并介导了其对S6K1的去磷酸化作用。以上实验结果表明，由运动或能量限制引起细胞AMPK的激活可能会促进TSC2磷酸化并通过抑制mTOR的活性，进而抑制S6K1的磷酸化，从而在细胞能量供应不足状态下通过抑制蛋白合成以维持内环境稳态。另有报道证明，AMPK的激活也可能通过磷酸化mTOR Thr2446位点而抑制S6K1的磷酸化及其活性［12］。

mTORC1 由 mTOR，m LST8/Gbl，PRAS40 和 Raptor四部分组成。Raptor结合于mTOR分子氨基末端的HEAT重复序列。有研究表明，Raptor作为mTOR的一个调节性蛋白，可能在维持mTOR分子结构、连接mTOR及其下游分子或调节mTOR在细胞内的定位方面发挥重要作用［18］。运用 RNAi抑制 Raptor表达显著降低了mTORC1的活性，表明Raptor在控制mTORC1活性方面发挥着重要作用［19，20］。最近 Dana等的研究认为，mTOR结合物Raptor可以作为AMPK的直接作用底物被磷酸化，对于mTORC1的抑制起到关键性作用。通过RNAi技术沉默 TSC2 的 MEFs（Murine Embryonic Fibroblasts）细胞，当给予AMPK的激动剂AICAR处理后，细胞mTORC1活性仍能被抑制［21］，由此证明，TSC2不是AMPK调节mTORC1活性唯一的中间蛋白。Dana的实验证明，AMPK的激活可以引起Raptor Ser722和Ser792位点发生磷酸化。对该两位点诱导突变后，无论TSC2+/+还是TSC2-/-的细胞内，AMPK的激活对于mTOR信号无显著影响，表明Raptor Ser722/792位点的磷酸化在AMPK诱导的mTORC1的抑制过程中起关键作用。其机制可能是AMPK引起Raptor Ser722/792位点磷酸化，诱导14-3-3家族蛋白与Raptor的结合，进而抑制mTORC1的活性［22］。

综上所述，由运动刺激或能量限制引起的AMPK的激活可能是通过磷酸化TSC2和Raptor两条并行的途径达到抑制mTORC1活性的生物学效应。

通过常规抗阻训练增大肌肉组织体积主要是通过Ⅱ型肌纤维的增生实现的［22］。这种由于抗阻训练造成的骨骼肌蛋白质合成增加的分子机制尚不完全明确。许多研究认为，抗阻训练通过激活一系列信号途径激活S6K1，进而促进细胞内蛋白表达［23］。部分研究者认为，在骨骼肌组织中抗阻训练对S6K1的激活并不依赖于PKB/Akt途径［24，25］，而另外一些研究表明，抗阻训练后骨骼肌细胞 Akt磷酸化明显增加［26，27］。为研究 PI3K/Akt通路在介导抗阻运动激活mTOR过程中发挥的作用，O’Neil等人研究了单次急性抗阻运动后相关蛋白的激活情况，结果显示，单次急性抗阻运动后PI3K/Akt的激活是短暂的（<15min），而mTOR的激活则持续较长时间（>12hrs）。运用PI3K抑制剂Wortmannin对PI3K/Akt通路的抑制对于mTOR活性没有显著影响，表明PI3K/Akt并非是介导抗阻运动激活mTOR的主导通路［28］。

如前文所述，有氧运动导致细胞ATP/AMP比例降低以激活AMPK，从而抑制mTOR活性。而Dreyer等的研究表明，在抗阻训练后骨骼肌细胞在AMPK同样被明显激活的情况下，mTOR活性也显著增强［27］。这表明，除AMPK途径外，运动还可以通过其他途径影响mTOR/S6K1活性，进而影响蛋白合成。O’Neil等人的研究发现，急性向心收缩抗阻运动刺激使骨骼肌细胞由磷脂酶 D（Phospholipase D，PLD）诱导产生的磷脂酸（Phosphatidic Acid，PA）水平持续升高，mTOR活性显著提高，而对磷脂酶D的抑制则引起mTOR活性的降低［28］。因而抗阻运动对mTOR的激活需要PLD和PA的参与。

另有研究表明，抗阻训练后，骨骼肌细胞内ERK1/2（Extracellular Signal-regulated Kinase）以及 P38磷酸化水平显著升高［29］。Deldicque等运用 RNAi抑制 C2C12细胞ERK1/2或P38的表达，结果显示S6K1 Ser424及Thr421位点磷酸化水平显著下降，并推测S6K1 Ser424/Thr421位点的磷酸化有助于 Thr389的磷酸化，而Thr389位点的磷酸化对于S6K1的激活具有决定意义［30］。因而，促分裂原活化蛋白激酶（mitogen Activated Protein Kinase，MAPK，这里主要是ERK1/2和 P38）可能介导了抗阻运动激活S6K1以及促进蛋白合成的生物学效应。而ERK激活mTOR的机制，Ma等研究认为，ERK的激活促进 TSC2Ser540和Ser664位点的磷酸化，TSC2该位点的磷酸化引起TSC1-TSC2复合物的分离，使TSC2活性降低，进而激活 mTOR/S6K1通路［29］。而最近 Audrey等的研究表明，Ras/MAPK对mTORC1活性的调节，还可以由 RSK1/2（p90 Ribosomal S6 Kinases）介导并引起mTOR结合蛋白Raptor RXRXXpS/T（Arg/Lys-X-Arg/Lys-X-X-pSer/Thr，X是任意的氨基酸） 基序的 Ser719，Ser721和 Ser722位点磷酸化，进而激活 mTORC1［31］。

5 小结及展望

由于mTOR在细胞增殖、生长、分化以及肿瘤发生方面发挥的巨大作用，对于mTOR的研究越来越引起关注。目前人们对mTOR信号调节网络的认识仍存在着很多不足，比如几条信号通路在调控mTOR时的交互作用，Rheb调节mTOR活性的分子机制，细胞自身对mTOR活性的反馈调节机制等。由于运动在代谢性疾病防治过程中的积极作用，关于运动对mTOR活性调节机制的深入研究，不仅有助于我们全面理解mTOR的调节机制，而且可以为采用运动手段改善由mTOR/S6K1信号通路活性异常导致的IR、T2DM、癌症以及各种心血管疾病等提供理论依据。

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