mTOR介导转录因子调控细胞糖脂代谢的研究进展

赵 迪，朱燕婷，史道华

(福建省妇幼保健院药剂科，福建福州350001)

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是连接多种信号通路的枢纽，其下游效应蛋白可调节基因转录、蛋白表达及DNA 修复等。mTOR 介导的转录因子HIF1α、c-Myc 和FoxO1 对调控细胞糖代谢起重要作用。其中，过表达HIF1α 和c-Myc 诱导糖代谢酶增加，上调肿瘤细胞糖酵解水平，为肿瘤细胞生长和增殖提供能量。而活化的FoxO1 促进机体糖异生，维持体内血糖平衡。此外，mTOR 还可参与转录因子SREBPs、PPARγ/PPARα 及TFEB 介导的细胞脂类代谢，与肿瘤、肥胖和脂肪肝等的发生发展有关。因此，揭示mTOR 在基因转录水平上的调控方式，可为肿瘤和代谢疾病的分子机制研究以及靶向治疗药物的研发提供新的思路。

1 mTOR 激酶

mTOR 是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，根据结合蛋白的不同，分为mTOR 复合物1(mTORC1)和mTOR 复合物2(mTORC2)。mTORC1 对雷帕霉素敏感，感受胰岛素、生长因子、营养、能量和环境压力的刺激，依赖结合蛋白Raptor，磷酸化下游底物S6K1 和4E-BP1，促进蛋白质、脂类的合成，调节细胞的生长和增殖［1-2］。mTORC2 对雷帕霉素不敏感，直接作用于AKT/PKB、SGK1 和PKC-α 调节细胞骨架、细胞存活及代谢［1，3］。mTORC2 活化后，促进Akt 在Thr308 位点的磷酸化，增加Akt 激酶活性，调控肿瘤细胞的增殖、代谢与凋亡。Rictor 是mTORC2 磷酸化AKT 的必需结构［4］。

2 mTOR 介导转录因子调控糖代谢

2.1 HIF1α

HIF-1α 是低氧条件下广泛存在于机体内的一种转录因子。HIF1α 高度活化是肿瘤细胞的特征之一，可上调葡萄糖转运蛋白1(GLUT1)、己糖激酶(HK)和乳酸脱氢酶(LDHA)等基因的表达，促进葡萄糖的吸收，增加乳酸水平;还可增加丙酮酸脱氢酶激酶(PDK1)活性，抑制丙酮酸转变为乙酰CoA，从而影响丙酮酸的有氧氧化［5］。研究证实，HIF1α蛋白表达的增加与mTORC1 活化密切相关。mTORC1 磷酸化4E-BP1，可促进HIF1α 的mRNA 表达。同时，mTORC1 磷酸化S6K1，亦可正性调节HIF1α，但强度不及4EBP1 明显［6］;此外，敲除Rictor基因的小鼠胚胎成纤维细胞(mouse embryonic fibroblast，MEF)，HIF1α 蛋白表达水平并无明显变化，说明mTORC2 与调节HIF1α 的作用无关［6］。

2.2 c-Myc

癌基因c-Myc 在肿瘤细胞内处于高度活化的状态，其编码的转录因子c-Myc 调控细胞的增殖、代谢和转移等过程［7］。c-Myc 活化可上调与葡萄糖吸收及糖酵解相关基因的表达，且与HIF1α 协同调节体内糖代谢。c-Myc 活化还可增加谷氨酰胺代谢酶转运体表达，供给细胞增殖所需的营养［8］。当营养充足时，激活的mTORC1 可磷酸化4E-BP1，启动c-Myc mRNA 的翻译［9］。与HIF1α 不同的是，c-Myc 活性受mTORC2 调控。在恶性胶质瘤细胞中，mTORC2促进磷酸化Ⅱa 型类组蛋白去乙酰酶抑制剂(class IIa histone deacetylases，HDACs)失活，导致FoxO1和FoxO3 乙酰化，抑制c-Myc 大量释放，增加细胞糖酵解。值得注意的是，该信号通路不依赖于AKT［10］。

2.3 FoxO1

在哺乳动物中，根据O 亚基的不同，Forkhead转录因子家族可分为FoxO1、FoxO3、FoxO4 和FoxO6［11］。FoxO1 活化可上调磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶(Phosphoenolpyruvate carboxykinse，Pck1)和6-磷酸葡萄糖酶催化亚基(glucose-6-phosphatase catalytic subunit，G6pc)等基因的表达，促进肝组织糖异生，提高体内血糖水平。饮食诱导的糖尿病模型小鼠，FoxO1 过表达，糖异生明显增加，糖耐量减弱［12］。活化的mTORC2-AKT 可磷酸化FoxO1 的S256 位点，使FoxO1 向细胞质迁移，抑制其在核内积累，导致FoxO1 失活［13］。

3 mTOR 介导转录因子调控脂代谢

3.1 SREBPs

胆固醇调节元件结合蛋白(sterol regulatory element-binding protein，SREBP)是介导生物体内脂类合成的一类转录因子。SREBPs 由SREBP-1a、SREBP-1c 和SREBP-2 组成，主要涉及胰岛素刺激的脂肪酸合成及参与胆固醇合成［14］。SREBPs 为mTORC1 下游因子，mTORC1 可增加SREBPs 蛋白表达，还可诱导内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)和未折叠蛋白质应答(unfolded protein response，UPR)，促进SREBPs 在高尔基体内的剪切修饰［14］。mTORC1 亦可磷酸化Lipin-1，阻止SREBPs 进入核内，抑制SREBPs 活性［15］。TSC2－/－MEF细胞基因沉默S6K1，可导致SREBPs 蛋白表达水平大幅下降［6］。除能独立调控SREBPs 活性外，mTORC1 还可以与AKT 协同调节，但其产生的作用具有差异性。细胞敲除TSC2 后，高度活化的mTORC1 负反馈调节胰岛素-AKT 信号通路，阻止SREBPs 转移至高尔基体内，使其活性降低，但mTORC1 本身对SREBPs 正调控占据主导地位，因此，总体表现为SREBPs 表达增加［14］。

3.2 PPARγ/PPARα

PPARγ(peroxisome proliferator-activated receptor γ)是细胞系内受体，主要参与体内脂肪酸生物合成［16］。在体外，抑制mTORC1 活性可阻止脂肪合成以及影响脂肪细胞的稳定。mTORC1 促使4EBP1磷酸化增加PPARγ 翻译［17］。Lipin1 亦是PPARγ 的活性放大剂，抑制mTORC1 即可抑制其活性，下调脂类合成基因表达［18］。然而，在体内过表达两种复合物共有结合蛋白Deptor 抑制mTOR 信号通路时，脂类合成反而增加，其机制与缓解mTORC1-S6K1高度活化导致的胰岛素抵抗，活化Akt/PKB-PPARγ信号通路有关［19］。内源性PPARγ 可抑制间质干细胞和成骨细胞AKT/mTOR/p70S6K 的活性，降低成骨细胞分化，可见mTORC1 与PPARγ 存在互相调控作用［20］。

PPARα 是一种参与酮体合成的核内受体。活化mTORC1 可降低PPARα 活性，减少酮体的合成。敲除Raptor，可逆转这一作用［21］。mTORC1-PPARα信号通路与nCoR1(nuclear receptor corepressor 1)密切相关，nCoR1 是一种阻遏蛋白，其活性受mTORC1 调控。激活mTORC1 可诱导nCoR1 核内积累，增加PPARα 活性以及基因表达，降低体内酮体合成［21-22］。

3.3 TFEB

转录因子EB(bHLH leucine zipper transcription factor EB，TFEB)作为mTORC1 下游的调控因子，不仅在溶酶体生物合成、自噬和血管新生等方面发挥重要作用，还可促进体内脂类分解。在氨基酸刺激下，V-ATPase (vacuolar H+-adenoside triphosphate ATPase)与Ragulator 相互作用，激活Rag-GTPase，使RagA/RagB 与GTP 结合，RagC/RagD 与GDP 结合，形成异二聚体，活化的Rag 蛋白招募mTORC1 到溶酶体表面，在Rheb(定位于溶酶体表面)作用下，激活mTORC1［4］。mTORC1 活化可磷酸化TFEB，使其与14-3-3 蛋白结合，定位于胞质中，抑制TFEB 活性。细胞处于饥饿或压力状态时，mTORC1 从溶酶体表面释放而失活，导致TFEB 去磷酸化，触发其向细胞核内迁移，恢复TFEB 活性，诱导脂代谢基因表达［23］。饮食诱导和基因遗传性肥胖模型小鼠，TFEB 过表达，可明显降低小鼠质量。相反，在饥饿状态下，敲除小鼠体内TFEB 则明显抑制脂类分解［23］。TFEB 诱导脂类分解基因表达增加与PGC1α(PPARγ co-activator 1α)和PPARα 有关，激活的TFEB 能诱导PGC1α 和PPARα 基因表达，增加脂肪酸β 氧化，促进脂酸分解［24］。此外，亨廷顿氏舞蹈病小鼠体内PGC1α 可介导TFEB 改善神经退行性病变，说明PGC1α 与TFEB 之间可能存在相互作用［25］。

4 展望

糖脂代谢作为机体能量的主要来源，如功能失常可诱发多种疾病。mTOR 是机体代谢的枢纽信号分子，研发调控其下游转录因子活性的药物，可为相关疾病的治疗带来新的曙光。此外，目前虽对mTORC1 信号调控转录因子活性有较多的研究，但对mTORC2 所调控的转录因子知之甚少，有待进一步阐明。

［1］Sun SY.mTOR kinase inhibitors as potential cancer therapeutic drugs［J］.Cancer Lett，2013，340:1-8.

［2］Yang K，Shrestha S，Zeng H，et al.T cell exit from quiescence and differentiation into Th2 cells depend on RaptormTORC1-mediated metabolic reprogramming［J］.Immunity，2013，39:1043-1056.

［3］Martinet W，De Loof H，De Meyer GR.mTOR inhibition:A promising strategy for stabilization of atherosclerotic plaques［J］.Atherosclerosis，2014，233:601-607.

［4］Laplante M，Sabatini DM.mTOR signaling in growth control and disease［J］.Cell，2012，149:274-293.

［5］Semenza GL.Regulation of metabolism by hypoxia-inducible factor 1［J］.Cold Spring Harb Symp Quant Biol，2011，76:347-353.

［6］Duvel K，Yecies JL，Menon S，et al.Activation of a metabolic gene regulatory network downstream of mTOR complex 1［J］.Mol Cell，2010，39:171-183.

［7］Fletcher S，Prochownik EV.Small-molecule inhibitors of the Myc oncoprotein［J］.Biochim Biophys Acta，2014，http://dx.doi.org/10.1016/j.bbagrm.2014.03.005

［8］Chen JQ，Russo J.Dysregulation of glucose transport，glycolysis，TCA cycle and glutaminolysis by oncogenes and tumor suppressors in cancer cells［J］.Biochim Biophys Acta，2012，1826:370-384.

［9］Cantor JR，Sabatini DM.Cancer cell metabolism:one hallmark，many faces［J］.Cancer Discov，2012，2:881-898.

［10］Masui K，Tanaka K，Akhavan D，et al.mTOR complex 2 controls glycolytic metabolism in glioblastoma through FoxO acetylation and upregulation of c-Myc［J］.Cell Metab，2013，18:726-739.

［11］Tikhanovich I，Cox J，Weinman SA.Forkhead box class O transcription factors in liver function and disease［J］.J Gastroenterol Hepatol，2013，28:125-131.

［12］Xiong X，Tao R，DePinho RA，et al.Deletion of hepatic FoxO1/3/4 genes in mice significantly impacts on glucose metabolism through downregulation of gluconeogenesis and upregulation of glycolysis［J］.PLoS One，2013，8:e74340.doi:10.1371/journal.pone.0074340.ecollection 2013.

［13］Tripathy S，Jump DB.Elovl5 regulates the mTORC2-Akt-FOXO1 pathway by controlling hepatic cis-vaccenic acid synthesis in diet-induced obese mice［J］.J Lipid Res，2013，54:71-84.

［14］Bakan I，Laplante M.Connecting mTORC1 signaling to SREBP-1 activation［J］.Curr Opin Lipidol，2012，23:226-234.

［15］Peterson TR，Sengupta SS，Harris TE，et al.mTOR complex 1 regulates lipin 1 localization to control the SREBP pathway［J］.Cell，2011，146:408-420.

［16］Yu K，Mo D，Wu M，et al.ATF4 regulates adipocyte differentiation via altering the coordinate expression of C/EBPbeta and PPARgamma［J］.FEBS J，2014，281:2399-2409.

［17］Yoon MS，Zhang C，Sun Y，et al.Mechanistic target of rapamycin controls homeostasis of adipogenesis［J］.J Lipid Res，2013，54:2166-2173.

［18］Laplante M，Sabatini DM.An emerging role of mTOR in lipid biosynthesis［J］.Curr Biol，2009，19:R1046-1052.

［19］Laplante M，Horvat S，Festuccia WT，et al.DEPTOR cell-autonomously promotes adipogenesis，and its expression is associated with obesity［J］.Cell Metab，2012，16:202-212.

［20］Sun H，Kim JK，Mortensen R，et al.Osteoblast-Targeted suppression of PPARgamma increases osteogenesis through activation of mTOR signaling［J］.Stem Cells，2013，31:2183-2192.

［21］Sengupta S，Peterson TR，Laplante M，et al.mTORC1 controls fasting-induced ketogenesis and its modulation by ageing［J］.Nature，2010，468:1100-1104.

［22］Kim K，Pyo S，Um SH.S6 kinase 2 deficiency enhances ketone body production and increases peroxisome proliferator-activated receptor alpha activity in the liver［J］.Hepatology，2012，55:1727-1737.

［23］Settembre C，Fraldi A，Medina DL，et al.Signals from the lysosome:a control centre for cellular clearance and energy metabolism［J］.Nat Rev Mol Cell Biol，2013，14:283-296.

［24］Settembre C，De Cegli R，Mansueto G，et al.TFEB controls cellular lipid metabolism through a starvation-induced autoregulatory loop［J］.Nat Cell Biol，2013，15:647-658.

［25］Tsunemi T，Ashe TD，Morrison BE，et al.PGC-1alpha rescues Huntington's disease proteotoxicity by preventing oxidative stress and promoting TFEB function［J］.Sci Transl Med，2012，4.doi:10.1126/scitranslmed.3003799.