mTOR信号通路与相关疾病的研究进展*

宋晓红 刘明明 仉红刚

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian Target of Rapamycin，mTOR)是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，广泛存在于酵母到动物细胞中，属于磷酸肌醇3-激酶相关激酶(Phosphatidylinositol 3-kinase-related Kinase，PIKK)蛋白家族[1]。生物体内，mTOR以两种复合体mTORC1和mTORC2的形式存在，通过整合细胞在生理或病理生理进程中的营养物质、生长因子和能量物质等多种细胞外信号，参与细胞的基因转录、蛋白质翻译、核糖体合成等多种生物学功能，调控细胞生长、增殖、分化、自噬和凋亡等，故mTOR在细胞生长中处于核心调控地位。近年随着对mTOR及其信号通路基础研究的不断深入，其在诸多疾病中的作用越来越受到临床和基础领域学者的重视。

1 mTOR及其复合体的分子结构

TOR最早分离自啤酒酵母的突变株TOR1和TOR2，其编码基因为两个高度同源(达到70%)的TOR1和TOR2，产物为TOR1和TOR2蛋白。哺乳动物中同样发现了结构保守、功能相似的TOR，命名为mTOR。人mTOR由定位于1号染色体(1p36.2)[2]的ERAP1基因编码，分子量约为289kDa，由2 549个氨基酸组成，包含多个功能结构域和调控结构域[3]。

mTOR分子氨基端(N端)为20个串联重复序列(HEAT Repeats)，每个序列包含2个由40个氨基酸组成的α-螺旋结构，一个亲水基团和一个疏水基团，参与蛋白质间相互作用和mTOR在浆膜的定位。羧基端(C端)为蛋白激酶(Kinase，KIN)结构域，KIN结构域与PI3K催化结构域具有同源性，其上游依次为FRB(FKBP12-Rapamycin Binding)结构域、FKBP12(FK506-Binding Protein)结构域，为mTOR分子与雷帕霉素的关键结合位点。FRB上游为FAT(Focal Adhesion Targeting Domain)结构域，与mTOR分子末端的FATC结构域(The Focal Adhesion Targeting Domain of C-terminal)形成空间结构，以相互结合的FAT/FATC方式暴露mTOR分子催化结构域，参与mTOR分子内协同作用[4]，调节mTOR蛋白激酶活性。此外，KIN结构域尚含有负调控NRD结构域(Negative Regulatory Domain)，含有多个丝氨酸和苏氨酸，对调节mTOR活性至关重要(图1)。mTOR分子可通过上述不同相对独立的结构域募集其它蛋白质和作用分子，形成复合物(如mTOR-Raptor、mTOR-Rictor)，发挥生物学功能。

mTORC1包含mTOR、mTOR调节相关蛋白(Regulatory-associated Protein of mTOR，Raptor)、mLST8(Mammalian Lethal with Sec13 Protein 8)、富含脯氨酸的Akt底物(Proline-rich Akt Substrate 40kda，PRAS40)、Deptor(DEP-domain-containing mTOR-interacting Protein)等元件[5]。Raptor是一个150kDa的复合物支架连接蛋白，负责mTORC1的组装及促进底物结合mTORC1[6]。mTORC1的组成与其功能状态有关，PRAS40和Deptor可负向调节mTORC1功能[7]。mLST8可能参与了mTORC1的组装和稳定(图2)。

mTORC2的支架蛋白为雷帕霉素不敏感伴随物(Rapamycin Insensitive Companion of mTOR，Rictor)，此外包括mTOR、mLST8、Deptor、哺乳动物应激激活的蛋白激酶反应蛋白1(Mammalian stress-activated Protein Kinase Interacting Protein 1，mSIN1)和与Rictor同时观察到的蛋白1(Protein Observed with Rictor-1，Protor-1)。其中，Protor-1与Rictor结合，参与维持mTORC2的稳定和活化[5]，Deptor可负向调节mTORC2功能(图2)。

2 mTOR的生物学功能

mTOR可感受外界信号(细胞微环境、生长因子、低氧、AMP/ATP能量、氧化应激等)变化，发挥对蛋白质生物合成及细胞生长增殖的调控作用。

图2 mTOR复合体结构示意图

mTOR通过调控细胞内翻译元件的生物合成，参与调控细胞的蛋白生物合成过程。真核翻译起始因子4E(Eukaryotic Translation Initiation Factor 4E，eIF-4E)结合蛋白(Translation Factor eIF4E-binding Protein 1，4E-BP1)是翻译的负向调控因子，可抑制翻译起始。mTOR可磷酸化4E-BP1，使其与eIF-4E解离，进而与eIF-4G、eIF-4B、eIF-4A等结合形成eIF-4F起始复合物，促进翻译起始[8,9]。活化的mTOR可磷酸化PDK和核糖体蛋白S6激酶1(Ribosomal Protein S6 Kinase 1，S6K1)，后者可磷酸化S6蛋白，调控5’ TOP结构mRNA的翻译起始，翻译产物为核糖体、起始因子、延伸因子等翻译装置组分。磷酸化激活的mTOR进一步调控4E-BP1和S6K1下游信号通路，发挥对mRNA翻译的调控作用(图3)。除4E-BP1、S6K1外，mTOR亦可磷酸化转录因子STAT3，增强STAT3的转录活性。此外，mTOR可通过调控细胞周期蛋白(如cyclin D等)、RNA聚合酶(PolI等)参与基因表达转录水平的调控。

mTOR主要通过PI3K-Akt-mTOR信号通路和Akt-TSC1/TSC2-mTOR-S6K信号通路促进细胞生长、增殖(图3)。Akt可直接磷酸化mTOR Ser2448位点，从而激活mTOR及其下游信号通路，调控细胞生长和相关蛋白的翻译。结节性硬化复合物(Tuberous Sclerosis Complex，TSC)为肿瘤抑制因子，TSC1/TSC2复合体可抑制mTOR关键激活酶GTP酶Rheb的活性[5]，是mTOR活性的关键抑制因子。该复合体基因突变或缺失时，mTOR解除抑制状态，活性异常增加使细胞内蛋白质合成增加从而促进细胞增殖。此外，mTOR对葡萄糖、氨基酸等营养物质浓度改变和AMP/ATP能量平衡偏倚较为敏感。

图3 mTOR信号通路示意图

3 mTOR信号通路与疾病

mTOR及其信号通路调控异常与多种病理进程关系密切。目前，mTOR及其信号通路在肿瘤细胞的细胞周期调控、生长增殖和肿瘤细胞的迁移转移中的作用研究相对明确。而除肿瘤外，mTOR信号通路可能还参与了心血管疾病(如高血压、心肌梗死等)、糖脂代谢疾病(糖尿病等)[10]、自身免疫性疾病(多发性硬化等)发病机制。

3.1 心血管疾病

目前认为，mTOR信号通路的激活参与了高血压时动脉压升高诱发的心肌重构病理生理进程。DOCA-盐型高血压大鼠中PI3K-Akt-mTOR信号通路磷酸化水平显著增加，活化的mTOR促进心肌细胞增殖[11]，引发心肌肥厚，诱发左心室重构[12]。DS/肥胖(DahlS.Z-Leprfa/Leprfa)高血压大鼠中，S6K1磷酸化水平增加，蛋白合成水平上调导致心肌细胞过度增殖，左心室增厚[13，14]。TSC2的缺失和mTORC1活性的增加均会导致病理性心肌肥大。而mTOR抑制剂可通过降低Akt磷酸化水平或直接抑制mTOR部分缓解压力负荷诱导的左心室肥大和重构。故在冠状动脉成形术后，mTOR抑制剂可被用作药物涂层支架的抗增殖剂来减少再狭窄的发生[13,14]。高血压时，血管中活性氧含量和氧化程度增加，Akt-mTOR信号通路激活，促进蛋白质合成，从而导致心肌重构。抗氧化剂如亚硝酸盐可减少活性氧的产生，抑制mTOR信号通路活化及心肌重构[15]。Akt-mTOR信号通路同时参与心肌纤维化进程，而ACEI类降压药则可降低Akt、mTOR磷酸化水平，抑制心肌纤维化[16]。此外，二苯乙烯苷等化合物可通过Akt-mTOR信号通路抑制高血压前期时微血管内皮细胞的过度自噬，改善微血管内皮细胞功能[17]。依赖溶酶体对蛋白和细胞器降解循环利用的自噬过程同样参与了心肌重构，故AMPK-mTOR信号通路介导的自噬对心肌细胞可能具有一定的保护作用[18]。

心肌梗死时缺血再灌注(Ischemia-Reperfusion，I/R)可导致心肌细胞死亡和不可逆性心肌损伤。心肌细胞通过mTOR调节的自噬参与心肌缺血时的保护机制和再灌注时的损伤机制[19]。糖原合成酶激酶-3β(Glycogen Synthase Kinase-3β，GSK-3β)参与了机体能量代谢和缺血病理进程机制，抑制GSK-3β可减弱缺血对mTORC1的抑制作用。心肌细胞缺血时，mTORC1活性下降或缺失，而mTORC1的重新激活可抑制自噬作用，促进心肌细胞凋亡[20]，提示mTORC1及其信号通路的活化对心肌缺血具有一定的保护作用。此外，mTORC1的活性与再灌注损伤有关。再灌注时，抑制GSK-3β可使mTORC1活性增加。从而改善心肌细胞的再灌注损伤[21]。故抑制mTOR及其信号通路可能缓解上述心血管慢性病理进程导致的心肌损伤和心肌重构。

3.2 糖脂代谢障碍

mTOR信号通路参与维持胰岛β细胞功能稳态[22]，调控胰岛β细胞存活、增殖并促进胰岛素分泌。同时，分泌胰高糖素的胰岛α细胞功能也与mTOR信号通路相关[23]。但mTOR信号通路长期处于激活状态时反而增加胰岛β细胞的能量代谢需求，最终导致其功能障碍。即mTOR信号通路在糖尿病发病机制中发挥“双刃剑”作用[24]。此外，mTOR过度激活参与了糖尿病视网膜病变[25]、糖尿病肾病[26]等糖尿病并发症的发生发展。而部分长链非编码RNA可通过mTOR信号通路调节葡萄糖代谢和胰岛β细胞功能[27]。

脂质代谢过程中，mTORC1和mTOR信号通路可通过上调卵磷脂的合成促进甘油三酯的合成与释放[28]。此外，mTOR可通过胆固醇调节元件结合蛋白(Sterol Regulatory Element Binding Protein，SREBPs)参与调节脂质代谢，后者是位于内质网的细胞内脂质合成的主要调节因子。SREBPs调控脂肪酸、胆固醇、三酰甘油和磷脂的摄取及生物合成[29]。mTOR可通过S6K依赖性和S6K非依赖性方式激活SREBPs促进脂肪合成。S6K1-/-小鼠脂肪分解增加，脂肪组织含量降低[30]。mTOR敲除的肝细胞SREBP转录活性和基因表达水平均下调[31]。

3.3 自身免疫性疾病

mTOR还可能参与了多发性硬化、系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎等自身免疫性疾病的发生，mTOR抑制剂雷帕霉素可使多发性硬化患者发作次数和新发病灶减少[32]。mTOR信号通路可介导系统性红斑狼疮患者免疫炎性因子失衡，上调Th17、IL-4表达水平，抑制Treg细胞功能。mTOR抑制剂可逆转上述炎性因子失衡的表型。此外，mTOR信号通路活化可引起线粒体超极化，免疫效应细胞坏死并促进抗核抗体的生成[33]。狼疮肾炎患者肾脏mTOR信号通路活化，同时血清和外周单核细胞存在mTOR的表达。mTOR抑制剂可减轻狼疮肾炎症状并延长存活时间[34,35]。类风湿关节炎患者滑膜组织和滑膜破骨细胞中mTOR活性异常增高，可能与mTOR信号通路参与维持破骨细胞分化和存活有关。mTOR信号通路活化可促进巨噬细胞、中性粒细胞生成，促进肥大细胞脱颗粒，促进免疫炎性细胞的成熟和生存。mTOR抑制剂可减少成纤维样滑膜细胞造成的关节破坏。此外，尚有文献报道，mTOR信号通路可能与1型糖尿病[36]和银屑病[37]等自身免疫性疾病相关。

4 mTOR及其信号通路抑制剂

如前述，mTOR及其信号通路是细胞内多种重要信号转导通路的枢纽节点，调控翻译起始、转录和蛋白合成，参与维持细胞的生存和增殖等。故mTOR及其信号通路可能成为相关疾病治疗的靶点之一。第一代mTOR抑制剂包括雷帕霉素及其衍生物。第二代mTOR抑制剂包括ATP竞争性mTOR激酶抑制剂、PI3K/mTOR双重抑制剂、选择性mTORC1/mTORC2抑制剂等。与第一代单一靶点的mTOR抑制剂相比，第二代mTOR抑制剂具有更大的优势[38]。

4.1 第一代抑制剂雷帕霉素及其衍生物

雷帕霉素是最早被发现的mTOR抑制剂，属于大环内酯类药物。雷帕霉素衍生物包括依维莫司(Everolimus，RAD-001)、坦西莫司(Temsirolimus，CCI-779)等，可与FKBP12形成复合物，与mTOR的FRB结构域结合，实现对mTOR及其下游信号分子S6K1和4E-BP1等的抑制。第一代mTOR抑制剂可特异性抑制mTORC1，但在应用中会出现mTORC1/IRS-1负反馈通路作用减弱和PI3K/Akt信号通路活化现象。mTORC2可直接磷酸化Akt，且其抑制作用无负反馈通路活化现象。但第一代抑制剂无特异性抑制mTORC2作用。

4.2 第二代抑制剂ATP竞争性mTOR激酶抑制剂

4.2.1ATP竞争性mTOR激酶抑制剂：包括NVPBBD130、Ku0063794、MLN0128等[39]，通过与mTOR激酶上游分子竞争mTOR激酶上的ATP结合位点，调控下游信号通路。故可克服雷帕霉素的不足，同时更易靶向mTOR结合位点。

4.2.2PI3K/mTOR双重抑制剂：PI3K和mTOR均为磷酸肌醇激酶相关蛋白激酶家族成员，两者有同源的催化结构域。PI3K/mTOR双重抑制剂可与PI3K和mTOR催化位点以相同效力竞争ATP，降低mTOR激酶活性的同时抑制PI3K激酶活性，故其无第一代mTOR抑制剂产生的负反馈通路活化现象。目前，已经报道的PI3K/mTOR双重抑制剂包括WAY-001、WAY-600、WYE-354、WYE-687、Wyeth-1、Wyeth-2、NVP-BEZ235等[40]。其中，NVP-BEZ235可高效且特异性阻断PI3K/mTOR信号通路的功能性失调激活并诱导细胞周期G1期阻滞，同时抑制体外血管内皮生长因子(VEGF)诱导的细胞增殖、生存和体内VEGF诱导的血管生成[41]。

4.2.3选择性mTORC1/mTORC2抑制剂：选择性mTORC1/mTORC2抑制剂包括pp242、Torin1、AZD8055等[42]，仅抑制mTORC1/mTORC2，对其他激酶无抑制作用。选择性mTORC1/mTORC2抑制剂可抑制mTORC1/mTORC2中S6K1、4E-BP1和Akt的磷酸化，实现对mTORC1/mTORC2活性抑制[43]。其既克服了第一代mTOR抑制剂存在负反馈通路活化现象的缺陷，又降低了PI3K/mTOR双重抑制剂的毒副作用[44]。故选择性mTORC1/mTORC2抑制剂可更有效的抑制细胞增殖。

5 小结与展望

mTOR以mTORC1和mTORC2两种复合物的形式存在，参与基因转录、蛋白质翻译起始、核糖体合成等多种生物学功能。mTOR作为重要的信号转导分子，位于mTOR信号通路的核心节点。mTOR信号通路在调控细胞生长增殖、分化存活和自噬等过程发挥重要作用。mTOR及其信号通路不仅局限于肿瘤发生范畴，其在心血管疾病、糖脂代谢相关疾病和自身免疫性疾病中的作用已日渐受到重视。进一步深入了解mTOR及其信号通路在不同疾病的调控作用机制，有助于研发新的以mTOR为靶点的高效特异性的、毒副作用弱的mTOR及mTOR信号通路抑制剂，并可能为临床中心血管疾病、糖脂代谢相关疾病、自身免疫异性疾病的治疗提供新思路和新方案。mTOR信号通路调控机制的不断深入研究和mTOR特异性抑制剂特续研发，将为上述疾病的基础研究和临床治疗提供理论依据，具有一定的转化医学价值。

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