mTORC1信號通路及其與糖尿病的相關研究進展

吳迪　劉江華

【摘要】哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mechanistic target of rapamycin，mTOR）是屬于PIKKs激酶家族成員的一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過形成2種獨特的多蛋白復合物mTORC1和mTORC2發揮其調控細胞各項功能的重要作用。近年來，mTORC1信號通路因其與生物合成、細胞自噬、介導免疫等過程密切相關而備受關注。本文就近年來mTORC1信號通路及其與糖尿病的相關研究作一綜述。

【關鍵詞】mTORC1；信號通路；糖尿病；細胞免疫

【中圖分類號】R587.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】ISSN.2095-6681.2018.07..04

1 mTORC1的簡介

1.1 mTORC1的結構與功能

mTORC1（mechanistic target of rapamycin complex 1）

是由哺乳動物雷帕霉素靶蛋白mTOR、mTOR調節相關蛋白Raptor、哺乳動物LST8同源蛋白mLST8、富脯氨酸AKT底物1-PRAS40和含DEP結構域的mTOR交互蛋白DEPTOR這5種物質構成的多蛋白復合物[1]。其主要作用包括促進細胞的生物合成、細胞生長增殖、營養物質的吸收、抑制細胞自噬等，同時其活性受到來自雷帕霉素、胰島素、生長因子、某些特定氨基酸及其衍生物、理化因素等一系列因素的嚴格控制[2]。

1.2 mTORC1信號通路

1.2.1 mTORC1上游信號轉導與調節

PI3K-Akt通路：胰島素樣生長因子可通過絡氨酸激酶受體RTK激活PI3K-Akt信號通路，使Akt分別于絲氨酸殘基939、絲氨酸殘基981、蘇氨酸殘基1462磷酸化結節硬化復合物2（Tuberous Sclerosis Complex 2，TSC2）[3]。這些TSC2的磷酸化的位點可以破壞TSC1/TSC2二聚體，使TSC2與TSC1不再相關聯，TSC2失去其GTP酶活化蛋白（GTPase activating protein，GAP）的活性，解除其對

Rheb-GTP的水解作用。mTORC1必須通過活性小G蛋白Ras同源蛋白（RHeb）激活，從而經胰島素信號通路合成蛋白[4]。Akt也可以磷酸化PRAS40，使其從mTORC1中的Raptor上脫落，消除其阻礙Raptor與mTORC1的2個底物4EBP1和S6K結合的作用，從而達到激活mTORC1的目的。

MAPK/ERK通路：有絲分裂原，如胰島素樣生長因子IGF-1可以激活MAPK/ERK通路，抑制TSC1/TSC2復合體，活化mTORC1[5]。當生長因子與臨近的絡氨酸激酶受體RTK結合時，接頭蛋白GRB2結合其SH2結構域，從而募集了能夠激活G蛋白RAS的鳥苷酸交換因子Sos。RAS可以激活RAS-RAF-MEK-ERK級聯信號轉導[6]，最終使ERK磷酸化TSC2絲氨酸殘基644，激活核糖體S6激酶RSK使其磷酸化TSC2絲氨酸殘基1798。這些磷酸化反應可以導致

TSC1/TSC2二聚體的分裂，阻止其去活化Rheb，保持mTORC1活性。有相關實驗表明，RSK可以磷酸化Raptor，幫助其抵抗PRAS40的抑制作用[7]。

Wnt通路：Wnt通路參與了生物體細胞生長和增殖的調控，有研究表明該通路的激活和mTORC1的激活密切相關，Wnt通路的激活可以抑制糖原激酶GSK3B[8]。當Wnt通路失活時，GSK3B可以使TSC2在絲氨酸殘基1341/1337位點磷酸化，同時磷酸化AMPK絲氨酸殘基1345位點，而研究表明AMPK的磷酸化是GSK3B磷酸化TSC2的必要前提條件，因此Wnt通路也參與了mTORC1信號通路的調控，也正因為如此mTORC1可以促進生物體內的蛋白質合成[8]。

細胞因子：如TNF-α可以通過IKK2誘導mTOR的激活[9]。IKK2可以使TSC1在絲氨酸殘基487/511位點的磷酸化，從而使TSC異二聚體復合物分裂，保持Rheb-GTP結合狀態。

能量代謝：翻譯需要消耗大量的能量，特別是ATP的消耗巨大。如果ATP消耗過多，水解生成大量的AMP，

AMP/ATP比例失衡，就會導致AMPK的激活。AMPK，即AMP依賴的蛋白激酶，是生物能量代謝調節的關鍵分子，是研究糖尿病及其他代謝相關疾病的核心。它表達于各種代謝相關的器官中，能被機體的運動、多種激素、細胞壓力以及影響細胞代謝物質等各種刺激激活。相關研究表明，AMPK是機體保持葡萄糖平衡所必需的，其激活能改善由2型糖尿病引起的代謝失衡[10]。AMPK可以磷酸化TSC2絲氨酸殘基1387位點，激活其復合物的GAP活性，將

Rheb-GTP水解為Rheb-GDP。通過該途徑可以使mTORC1失活，阻礙蛋白質的合成。AMPK還可以磷酸化Raptor的2個絲氨酸殘基位點。被磷酸化的Raptor可以招募14-3-3蛋白與之結合，使其可以游離于mTORC1復合體之外。缺少了Raptor的無法招募底物，就無法通過mTORC1合成蛋白質。另外，腫瘤抑制因子絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶STK11也可以激活AMPK。深入mTORC1在這方面的研究可能有助于闡明其與腫瘤緊密聯系的機制[11]。

低氧應激：當細胞處于低氧環境下時，細胞會通過限制蛋白質的合成以減少能量的消耗，低氧誘導因子HIF1α可以穩定并激活REDD1的轉錄。REDD1蛋白能與TSC2相結合，阻礙14-3-3蛋白對TSC復合體的抑制作用，保持其GAP活性，維持Rheb與GDP的結合形式，從而抑制mTORC1的活性。此外，在低氧環境下，線粒體ATP合成減少，AMPK活性增加，進而抑制mTORC1活性[12]。

1.2.2 mTORC1下游信號轉導與調節

mTORC1主要通過磷酸化下游的真核轉錄起始因子4E結合蛋白1（4E-BP1）和p70 S6 kinase 1（S6K1）[13]，激活mRNA5'端的翻譯起始復合物，進而激活翻譯，調控細胞的增殖分化、自噬與調亡等。

4E-BP1：活性mTORC1可以磷酸化翻譯抑制因子4E-BP1，將其從真核轉譯起始因子eIF4E中釋放出來，然后eIF4E便與eIF4A和eIF4G相結合[14]。解旋酶會移除mRNA的5'-UTR區域的5個莖環結構以防止蛋白質過早的翻譯，隨后翻譯起始復合物在5'端帽狀結構形成，開始招募小核糖體亞基40S并掃描AUG起始密碼子起始位點[15]。當核糖體接觸AUG密碼子翻譯開始。

S6K：去磷酸化的S6K位于eIF3支架復合體上，活性mTORC1被征募至該支架復合體上然后磷酸化S6K使其激活[1]。mTORC1至少磷酸化S6K1的2個氨基酸殘基，其中最關鍵的一個修飾位于蘇氨酸殘基（T389）上[16]。mTORC1磷酸化S6K1又可以刺激PDK1磷酸化S6K1。活性S6K1可以通過激活S6核糖體蛋白（核糖體的一個組成部分）和eIF4B并使它們被招募形成轉錄前起始復合物PIC[17]。S6K1也可以通過磷酸化mTORC1負調控區域的2個位點參與mTORC1的正反饋調節刺激mTORC1的活性。S6K1還可以磷酸化泛素酶β-TrCP（BTRC）降解作用的標記物程序性細胞死亡蛋白4（PDCD4），PDCD4是一個腫瘤抑制因子，它可以通過與eIF4A相結合避免參與形成轉錄起始復合物[18]。

2 mTORC1與糖尿病

2.1 mTORC1與胰島β細胞

在胰島β細胞中，mTORC1和mTORC2扮演著各自獨特的角色，活性mTORC1通過調節Cyclin D2的合成與穩定性來調控β細胞的生長、增殖[19]。有研究報道對雄性肥沙鼠使用雷帕霉素rapamycin的長期治療可以導致增加胰島β細胞凋亡和漸進性高血糖[20]。mTORC1的激活可以促進胰島β細胞分泌胰島素降低血糖。近年來，不斷有研究表明mTORC1在調控胰島β細胞功能上存在著兩面性，比如在對TSC2敲除小鼠的研究中發現，幼年小鼠表現為β細胞數量增加，出現低血糖和高胰島素血癥，但在老齡小鼠則表現為β細胞數量減少，出現漸進性高血糖和低胰島素血癥[21]。S6K可以在不增加胰島β細胞數量的前提下，通過增加胰島素分泌，提高糖耐量，這表明mTORC1主要通過S6K通路調控胰島素分泌[22]。此外，有相關研究表明β細胞在2型糖尿病中因氧化應激與內質網應激所導致的胰島素合成、分泌異常增多和β細胞凋亡也與mTORC1相關[23]。

2.2 mTORC1與糖代謝

mTORC1除了能直接通過影響胰島β細胞的生長、增殖參與到血糖的調控中來，還能通過S6K1途徑調控HIF1α和膽固醇調節元件結合蛋白SREBP1和SREBP2參與調控糖代謝[24]。HIF1α可以促進己糖激酶、葡糖糖轉運蛋白1、乳酸脫氫酶等基因的表達，促進葡萄糖的吸收與利用。mTORC1對α-酮戊二酸脫氫酶也有抑制其活性的

作用[25]。

2.3 mTORC1與自噬

自噬是真核細胞的主要降解途徑，細胞必須通過自噬完成從細胞質中移除受損細胞器、蛋白質和小細胞碎片，回收老化、損傷材料，將它們分解然后合成新的細胞結構[26]。自噬也可以清除蛋白質聚集體和破壞細胞器，導致細胞功能障礙。mTORC1在激活后可以磷酸化自噬相關蛋白

Atg13，阻止其與Atg1、Atg17、Atg101形成ULK1復合物[27]，進而阻止細胞質膜上ULK1復合物參與自噬體前體的形成，抑制自噬[28]。mTORC1抑制自噬的同時刺激蛋白質合成及細胞生長可能導致受損蛋白質和細胞器的積累，進而造成細胞水平的損害[29]。正常自噬過程中出現的問題與糖尿病、心血管疾病、神經退行性疾病和癌癥有關。

有不少研究表明，胰島β細胞自噬基因Atg7的缺失，能導致自噬作用減弱，血清胰島素水平下降，糖耐量減低[30]。糖尿病模型誘導藥物鏈脲佐菌素STZ能在作用早期增加自噬相關蛋白LC3-VMP1和Beclin-1-VMP1的表達，說明自噬對藥物實驗早期胰島β細胞具有保護作用[31]。但是，不同程度的自噬，對胰島β細胞產生的影響也不盡相同，如2型糖尿病患者中自噬體和自噬泡的累積能引起胰島β細胞的死亡增加[32]。盡管自噬對胰島β細胞作用并不十分明確，但可以肯定的是mTORC1—自噬—胰島β細胞3者之間聯系密切。

2.4 mTORC1與細胞免疫及T1DM

雷帕霉素在臨床上常作為免疫抑制劑用于抑制T細胞和B細胞的增殖，但是其對mTORC1的抑制作用常常導致生成更多功能更強的記憶T細胞。雷帕霉素對mTORC1的抑制作用不僅能提高T細胞增殖期初始T細胞轉變為記憶T細胞前體的能力[33]，還可以促進記憶T細胞在收縮期分化為成熟的T細胞[34]。有趣的是，雷帕霉素對mTORC1的抑制可以增加老齡小鼠B細胞數量，增強免疫力[35]。雷帕霉素抑制免疫系統的矛盾現象與多個因素有關，其中包括了與調節性T細胞Treg的相互作用[34]。在過去，mTOR一直被認為是免疫細胞的一個抑制因子，但隨后不斷有研究表明mTORC1可以促進Treg的生成，增強T細胞抑制免疫的作用，并且mTORC1參與調控的膽固醇和脂質代謝和Treg產生的免疫抑制分子CTLA4和ICOS也存在著一定聯系[36]。

目前認為，1型糖尿病是一種以抗原呈遞細胞APC和T細胞為介導的自身免疫性疾病，其發病有賴于T細胞（CD4+和CD8+）所表達的抗β細胞抗原反應，CD8+T細胞是啟動自身免疫反應的必備條件，而活化的CD4+T細胞則是引起T1DM的必備條件，促炎細胞因子是β細胞的中介因子。已有研究表明，敲除Rheb基因或以雷帕霉素抑制CD4+T細胞的mTORC1活性，可以抑制Th1、Th17細胞分化，促進Th2細胞分化[37]。因此可以推斷mTORC1與1型糖尿病之間存在著某種聯系。

3 結 語

mTORC1活性受細胞內多種信號調控，其中細胞因子、能量代謝、細胞環境等信號主要經由TSC1/TSC2-Rheb途徑傳遞。氨基酸等營養分子類信號激活mTORC1的機制尚不十分清楚，但普遍被認為是通過一條不同的獨立途徑，有眾多蛋白質復合物參與該通路的調控。本文未就營養分子如氨基酸介導的mTORC1信號通路的在溶酶體上激活機制作闡述，但該通路已有眾多突破性研究進展，如該信號通路的核心骨架Ragulator五元復合物調控RHeb，mTORC1在溶酶體上的定位、組裝并招募下游蛋白的作用機制[38]；KICSTOR復合體中四個蛋白分子在GATOR1定位于溶酶體和mTORC1信號激活調控中的作用等[39]。

盡管在過去的十余年中，mTORC1信號通路在調控細胞生長、增殖、凋亡、介導免疫等各方面機制有了較為深入的了解，與糖代謝脂質代謝等代謝性疾病的聯系也十分明確，進一步研究明確其調控機制可以為糖尿病及其他相關疾病的治療提供潛在的新思路和方法。

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本文編輯：吳宏艷