mTOR信号通路

mTOR信号通路

一、mTOR介绍

1、mTOR（FRAP/RAFT1）

mTOR（mammalian target of rapamycin，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白），也被称为FRAP（FK506-binding protein 12 and rapamycin associated protein，FK506结合蛋白12和雷帕霉素相关蛋白）、RAFT1（rapamycin and FK506-binding protein 12 target 1，雷帕霉素和FK506结合蛋白12靶蛋白1）[1]。

mTOR 属于 PI3K 相关激酶，其氨基酸序列高度保守，人类 mTOR 的氨基酸序列与小鼠和大鼠的 mTOR 蛋白有 95% 的一致性。人类 mTOR 基因定位于 1p36.2，由 2549 个氨基酸组成，相对分子质量为 289 KD[2]。

2、mTOR结构

（1）N 端

mTOR 的 N 端有 20 个连续重复的 HEAT（huntingtin, EF3, a subunit of PP2A and TOR）模体。每个 HEAT 模体包含 2 个分别由 40 个氨基酸残基组成的 α 螺旋，每个螺旋都有 1 个亲水基团和 1 个疏水基团。这些 HEAT 模体排列形成超螺旋结构，介导了蛋白质间的相互作用[1,6]。

（2）C 端

mTOR 的 C 端的中部是蛋白激酶域，结构和 PI3K 的脂质激酶域高度同源，但无实验证据表明其具有脂激酶活性[1,6]。

蛋白激酶域的上游是 FRB（FKBP-12-rapamycin binding）结构域，为 FKBP12（FK506-binding protein 12，他克莫司结合蛋白12，FK506结合蛋白12）-雷帕霉素复合物 与mTOR相互作用的区域，该区发生突变后可以完全阻止雷帕霉素对 mTOR 的抑制作用[6]。

FRB 结构域下游大约 500 个氨基酸残基处为 FAT（the focal adhesion targeting domain）结构域，作用可能是与 mTOR 分子末端的 FATC（FAT of C-terminal）结构域形成一个空间结构，从而暴露 mTOR 分子的催化域[6]。

FATC 结构域和 NRD（negative regulatory domain）结构域位于 mTOR 分子羧基末端。其中 NRD 结构域在 FATC 和激酶催化域之间，是 mTOR 的负性调节域。而 FATC 域对 mTOR 的活性有着至关重要的作用，FATC 结构中任何一个氨基酸残基的缺失都能使 mTOR 丧失催化能力[6]。

二、mTOR 复合体

mTOR蛋白通过与多种蛋白结合成 mTOR 复合体（mTOR complex，mTORC）发挥其生理功能。哺乳动物有 2 种不同的 mTORC：mTORC1、mTORC2[3]。两种复合物定位于不同的亚细胞区室，影响它们的活化和功能。

1、mTORC1（mTOR-Raptor复合物）

mTORC1 由 5 部分组成：mTOR、Raptor、mLST8、PRAS40、Deptor[3,7]。

• Raptor（regulatory-associated protein of mTOR，mTOR调节相关蛋白）；
• mLST8（mammalian lethal with Sec13 protein 8），又名 GβL（G-protein-β-sub-unit like protein）]；
• PRAS40（proline-rich AKT substrate 40 kDa，富含脯氨酸的AKT底物）；
• Deptor（DEP-domain-containing mTOR-interacting protein）。

（1）Raptor

Raptor 负责调节 mTORC1 的组装和招募 mTOR 底物[3]。由于 mTOR 分子中 N 端重复结构的存在，使其 N 端能紧密地和 Raptor 相结合，而 C 端与 Raptor 的结合相对较弱。Raptor 能够同时和 mTOR 下游的效应蛋白相结合, 如 S6K1 和 4E-BP1。事实上，体外实验表明，Raptor 对于 mTOR 磷酸化并激活下游底物 S6K1 和 4E-BP1 是必需的[6]。

FKBP12-雷帕霉素复合物能够结合在 mTOR 蛋白羧基端的 FRB 结构域内，破坏 mTOR 和 Raptor 之间的相互作用，使得 mTOR 的激酶催化域失去接近下游靶蛋白和使后者磷酸化的能力，从而抑制 mTORC1 的活性，但不影响 mTORC2。mTORC2 对雷帕霉素耐受，FKBP12-雷帕霉素复合物不能够结合在 mTORC2 上。提示 mTORC1 复合物对雷帕霉素具有敏感性，而mTORC2则非如此[1,3,6]。

（2）mLST8

mLST8 特异性地作用于 mTOR 分子中激酶催化域，起到激活并稳定 mTOR 的作用[6]。mLST8 的功能尚不明确，且去除 mLST8 蛋白并不影响 mTORC1 在机体内的活性功能[3]。

（3）PRAS40 和 Deptor

PRAS40 和 Deptor 对复合物活性起负性调节作用。当 mTORC1 的活性降低时，PRAS40 和 Deptor 被招募到复合体中，从而干扰下游底物的结合，进一步降低 mTORC1 的活性。当 mTORC1 激活时，PRAS40 和 Deptor 发生磷酸化并且从复合体中脱离，从而进一步激活 mTORC1 的活性[3]。

2、mTORC2（mTOR-Rictor复合物）

mTORC2 由 6 个不同的蛋白质组成：mTOR、Rictor、mSIN1、Protor-1、mLST8、Deptor[3,7]。

• Rictor（rapamycin-insensitive companion of mTOR，对雷帕霉素不敏感的伴随物）；
• mSIN1（mammalian stress-activated protein kinase interacting protein 1，哺乳动物应激激活的蛋白激酶反应蛋白1），又名 MAPKAP1；
• Protor-1（protein observed with Rictor-1，与Rictor同时观察到的蛋白1），又名 PRR5。

（1）Rictor 和 mSIN1

Rictor 和 mSIN1 之间的相互作用是复合物的结构基础，两者相互作用能使彼此结构更加稳定。Rictor 也能与 Protor-1 发生相互作用，但是这种作用的生理功能尚不清楚[3]。

（2）mLST8

mLST8 对于 mTORC2 功能的维持是不可或缺的，去除 mLST8 会严重降低 mTORC2 的稳定性和活性[3]。

（3）Deptor

Deptor 对 mTORC2 同样起负性调节作用，并且是到目前为止唯一发现的 mTORC2 内源性负性调节因子[3]。

三、mTOR信号通路

1、TSC1/2

（1）TSC（tuberous sclerosis complex，结节性硬化症复合物）

TSC1 和 TSC2 形成一个具有 GTP酶 活性的 TSC1/2 异二聚体。该聚合物是 mTOR 上游重要的负性调节分子，通过抑制 Rheb（Ras homolog enriched in brain，脑内Ras同源物）的活性达到负性调节 mTORC1 活性的作用[1,3]。TSC1/2 使活化型 GTP-Rheb 去磷酸化生成失活型 GDP-Rheb，而活化型 GTP-Rheb 能激活 mTORC1，并且是 mTORC1 激活所必需的[3,7]。

（2）结节性脑硬化症

在结节性脑硬化症中，由于 TSC1/2 活性丧失，从而解除了对 mTORC1 信号的抑制作用，持续增强的 mTORC1 信号最终导致该疾病的形成[3]。

2、PI3K/Akt信号通路

Akt 通过两种机制活化 mTORC1 活性：

• AKT 活化后可磷酸化 TSC2（Akt 磷酸化的位点不同于 AMPK 磷酸化的位点），抑制了 TSC1/2 复合物的形成，从而解除了 TSC1/2 复合物对 Rheb 的抑制作用，使 mTORC1 激活；
• AKT 可直接磷酸化 PRAS40，从而减弱 PRAS40 在 mTORC1 中的负性调节，进而增强 mTORC1 的活性[3]。

3、AMPK信号通路

AMPK 通过两种机制抑制 mTORC1 活性：

• AMPK 磷酸化 TSC2 的 Thr1227 和 Ser1345 将其激活，并增加了 TSC1/2 复合物对 Rheb 的抑制作用，抑制 mTORC1 的激活[1,7]；
• AMPK 可直接磷酸化 Raptor 的 Ser722/792，使 Paptor 失活，从而抑制 mTORC1 的活性[7]。

4、Ras-Raf-MEK-ERK1/2信号通路

ERK 可通过直接磷酸化 TSC2 特异的氨基酸位点（如 S664 位点），导致 TSC1/2 解离，大大消弱 TSC2 的抑制作用，激活 mTOR 信号[1]。

四、mTORC1下游信号

mTORC1 可磷酸化其 2 个下游分子：4E-BP1、p70S6K1（S6K1）[1,3,4]。

1、4E-BP1

4E-BP1（eIF-4E-binding protein 1，eIF-4E结合蛋白1）属于 4E-BP 家族（包括4E-BP1/2/3），是一种帽依赖性蛋白质，它可以抑制mRNA的翻译。4E-BP 家族具有 eIF-4E（eukaryotic initiation factor 4E，真核翻译起始因子4E）结合域，低磷酸化的 4E-BP1 与 eIF-4E 强烈相互作用，形成至关重要的帽复合物，抑制翻译的起始[1,5,7]。

mTOR 引起 4E-BP1 磷酸化后失活，因而降低与 eIF-4E 的结合能力，使 eIF-4E 与之分离。游离的 eIF-4E 能与eIF-4G、eIF-4B、eIF-4A 结合形成 eIF-4F 起始复合物，结合到 mRNAs 5’末端的帽结构上，促进帽结构依赖性翻译起始，这是翻译开始的关键一步[1,5]。在 mTOR 被雷帕霉素抑制其活性之后，4E-BP1 去磷酸化，进而阻止了蛋白质的翻译[1]。

2、p70S6K1/S6K1

S6K（S6 kinase，S6激酶）是 RSK（ribosomal s6 kinase，核糖体s6激酶）家族成员，参与信号转导。RSK 有两个亚家族，p90rsk（也称为MAPK激活蛋白激酶-1，MAPKAP-K1）和 p70rsk（也称为S6-H1激酶或简称S6激酶）。S6K 有两种哺乳动物同源物：S6K1（p70S6K1）、S6K2。

S6K1，又称p70S6K1（p70 ribosomal protein S6 kinase 1，核糖体蛋白S6激酶1），其功能主要是使细胞内 40S 核糖体蛋白 S6 磷酸化，它可促进含有 5’末端的帽结构的 mRNA 的翻译。而含有 5’末端的帽结构的 mRNA 翻译的产物主要是核糖体、起始因子、延伸因子等翻译装置的必需组分。因此，S6K1 磷酸化后激活，同样促进蛋白质的合成[1]。

（1）S6K1上游

mTORC1 主要磷酸化 S6K1 的 Thr389，磷酸化 S6K1 募集 PDK1（PDK1见帖：PI3K/Akt信号通路），并增强 S6K1 激活环中 PDK1 依赖性 Thr229 磷酸化，这是 S6K1 激活所必需的过程[7]。

（2）S6K1下游

S6K1 同样会使 eIF-4F 磷酸化，并且可使促凋亡分子 BAD 在 Ser136 位点上磷酸化，从而阻断了 BAD 与 Bcl-XL 和 Bcl-2 的结合[1]。见帖：Bcl-2/Bax/Caspase-3信号通路。

S6K1 活化靶基因 RSK1 后能够结合并磷酸化 TSC2，抑制其功能[1]。

五、mTORC2下游信号

1、AKT

mTORC2 可磷酸化 AKT 的 Ser473 位点。AKT 的激活依赖分子中 Thr308 和 Ser473 两个位点的磷酸化，其中 Thr308 的磷酸化由 AKT 上游的 PDK1 激酶完成，而 Ser473 的磷酸化则依赖 mTORC2[6]。但是去除 mTORC2 后发现，只有部分 AKT 活性功能受到抑制[3]。

2、突变的 S6K1

突变的 S6K1 是 mTORC2 中另一种新发现的底物。

• mTORC1 激活 S6K1 依赖 S6K1分子中完整的 TOS（TOR signling）模序，且对 S6K1 羧基端的结构要求相对较低。
• mTORC2 则与之截然相反，其底物 S6K1 的结构中羧基端必须是缺失的，且不需要 TOS模序[6]。

由于无论 S6K1 是否突变，mTOR 都能形成不同的复合物磷酸化 S6K1 中关键位点 Thr389 并激活 S6K1，因而 mTOR 可能是 S6K1 所有分子中 Thr389 位点共同的激酶，只是根据S6K1 的结构不同，mTOR 需要结合不同的蛋白，这有力支持先前认为的 mTOR 为所有S6K1 的 Thr389 位点激酶的观点。有趣的是，这种突变的 S6K1 与 AKT 的羧基端结构非常相似，由此推测细胞内具有这种羧基末端结构的分子都有可能是 mTORC2 的底物[6]。

================

参考文献

[1]国斌,易斌,鲁开智.哺乳动物雷帕霉素靶蛋白的研究进展[J].医学研究生学报,2010,23(08):876-879.

[2]宋辉,袁洪亮.mTOR信号通路研究进展[J].生物技术世界,2015(08):9.

[3]熊伟,程金湘,章翔.哺乳动物雷帕霉素靶蛋白研究进展[J].中华神经外科疾病研究杂志,2011,10(01):85-88.

[4]周颖,王建,贺福初.蛋白激酶B(PKB/Akt)的结构、调控与功能[J].生命的化学,2006(03):226-228.

[5]司晓铭. PI3K/Akt/mTOR介导的BDNF/TrkB信号通路在沃替西汀抗抑郁作用中的研究[D].青岛大学,2018.

[6]朱伦,陈增良.mTOR的结构与功能[J].国际病理科学与临床杂志,2006(01):31-34.

[7]张新颖,毛景东,杨晓燕,李树森,杜立银.AMPK/mTOR信号通路的研究进展[J].微生物学杂志,2019,39(03):109-116.