哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路与细胞自噬

第23卷第8期2011年8月生命科学ChineseBulletinofLifeSciencesVol.23,No.8Aug.,2011文章编号：1004-0374(2011)08-0730-06哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路与细胞自噬钱帅伟，漆正堂，丁树哲*(华东师范大学体育与健康学院线粒体氧化还原应激实验室，上海200241)摘　要：细胞自噬作为真核生物中最基本的生命现象，广泛参与机体的多种生理和病理过程，其发生的分子机制复杂且高度保守。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mTOR)通路和Beclin1及相关因子发挥了最直接的调控作用。mTOR可通过上游各信号因子的调节引起自身活性的变化，并通过调节下游复合物Atg1/ULK的生成诱导细胞自噬。弄清mTOR通路及其对自噬复合物的作用机制将有助于从分子水平上对各种肿瘤疾病进行分析和治疗。关键词：细胞自噬；mTOR；信号通路；复合物；肿瘤中图分类号：Q25;R730.239文献标志码：AmTORsignalingpathwayandautophagyQIANShuai-Wei,QIZheng-Tang,DINGShu-Zhe*(LaboratoryofMitochondriaandRedoxStress,CollegeofPhysicalEducationandHealth,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)Abstract:Autophagyisavitalbasicphenomenon,whichwidelyexistsineukaryoticcellsandisinvolvedinmanyphysiologicalandpathologicalprocesses.Itsmolecularmechanismsarehighlycomplexandconserved,amongwhichmammaliantargetofrapamycin(mTOR)signalingpathwayandthecomplexofBeclin1playadirectroleintheregulationofautophagy.mTORcanberegulatedbyeveryupstreamfactor,aswellasmodulatetheformationofdownstreamcomplexAtg1/ULKandeventuallyinduceautophagy.UnderstandingofmTORsignalingpathwayanditsfunctiononautophagiccomplexeswillhelptoanalyzeandtreatvarioustumorsfromthemolecularperspective.Keywords:autophagy;mTOR;signalingpathway;complexes;tumors收稿日期：2011-02-23；修回日期：2011-05-16基金项目：国家自然科学基金项目(30871212)；教育部新世纪优秀人才支持计划项目(790013p8)*通信作者：E-mail:[e-mail]细胞自噬是真核生物中相对保守的一种亚细胞代谢途径，其分子诱导机制非常复杂且高度保守，其中mTOR通路和Beclin1及其相关因子在诱导细胞自噬的发生方面发挥了最直接的调控作用。mTOR作为氨基酸、能量及营养状态的感受器，能够及时感受和传递外界刺激信号，并通过调节Atg1/ULK等细胞自噬复合物之间的关系，发挥对细胞自噬的调控作用。据此，本文将mTOR通路与细胞自噬的最新研究进展作一综述。1　细胞自噬细胞自噬是细胞在受到营养缺乏、氧化应激、高温、损伤等刺激信号时，由来源不明的游离双层膜包裹胞液或受损的细胞器形成自噬体，并与溶酶体结合形成自噬溶酶体，将内容物降解为氨基酸、核苷酸、游离脂肪酸，而后，合成新的大分子和ATP，从而维持细胞自身稳态效益的过程[1]。根据底物进入溶酶体途径的不同，可将细胞自噬分为三种：大自噬(macroautophagy)、小自噬(microautophagy)、分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediatedautophagy,CMA)。大自噬即我们通常所谓的自噬，指细胞质中老化或损伤的蛋白质或细胞器以小泡形式转运到溶酶体中消化降解的过程。小自噬指溶酶体直接将细钱帅伟，等：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路与细胞自噬第8期731胞物质包裹并降解的过程。CMA指胞液内蛋白质结合到分子伴侣，如热休克蛋白70(heatshockcognateprotein70,HSC70)上形成复合物，识别并结合溶酶体膜上蛋白2(lysosomeassociatedmembranceproteintype2,lamp2)，而后转运到溶酶体腔中被溶酶体酶消化的过程[2]。细胞自噬作为生物体中相当保守且非常重要的代谢途径，可作为细胞保持稳定状态的管家机制，调控过氧化物酶体、线粒体和内质网的不断更新，还能清除胞质内受损的细胞器和代谢产物，进行亚细胞水平的重构，保护受损细胞。然而，细胞自噬的过度激活则会导致细胞程序性死亡，即II型程序性细胞凋亡，从而引起一系列疾病过程。2　哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mTOR)mTOR是一种在进化上较为保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，是磷脂酰肌醇激酶相关蛋白激酶(phosphatidylinositolkinase-relatedkinase,PIKK)的家族成员。mTOR存在两种不同的复合物形式：对雷帕霉素敏感的mTOR复合物1(mTORcomplex1,mTORC1)和对雷帕霉素不敏感的mTOR复合物2(mTORcomplex2,mTORC2)。mTORC1包括mTOR、raptor(regulatory-associatedproteinofmTOR)、mLST8(mammalianorthologofLST8)、PRAS40(proline-richAktsubstrateof40kDa)；mTORC2包括mTOR、mLST8、rictor(rapamycininsensitivecompanionofmTOR)、mSIN1(mitogen-activatedproteinkinase-associatedprotein1)。前者主要调节细胞生长、细胞凋亡、能量代谢和细胞自噬[3]；后者主要与细胞骨架重组和细胞存活有关。mTOR作为细胞内的中心信号调节因子，可接受激素、能量、营养、氧化应激、生长因子等多种信号的刺激，在调节细胞生长、增殖、凋亡、自噬、蛋白质翻译、免疫抑制等方面发挥了重要作用。mTOR介导的信号通路还与多种疾病有关，包括肿瘤疾病、心血管疾病、糖尿病和衰老等，这使得mTOR越来越成为人们关注和研究的对象。3　mTOR与细胞自噬3.1　mTOR上游信号通路虽然mTORC1对雷帕霉素敏感，mTORC2对雷帕霉素不敏感，但它们都可发挥对细胞自噬的诱导作用。Garcia-Martinez和Alessi[4]研究表明，骨骼肌中一部分mTORC2能够在雷帕霉素的刺激下激活，mTORC2激活后，又可激活蛋白激酶C(proteinkinseC,PKC)，同时磷酸化激活Akt。由于激活的Akt能够使mTORC1活性增加，故推测mTORC2也可抑制细胞自噬，但这种作用机制主要是通过Akt抑制下游一个转录因子Foxo3来实现的，并且还可能有一些Atg蛋白的参与[4]。由于mTORC1与细胞自噬发生的关系最为密切，故以下主要阐述mTORC1与细胞自噬诱导的关系。细胞对氨基酸，尤其是支链氨基酸(亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸)的摄入水平能影响mTORC1的活性，这主要通过RagA家族成员GTPases和Ste家族蛋白MAP4K3(mitogen-activatedproteinkinasekinasekinasekinase3)来介导。研究显示，亮氨酸浓度的变化能调节GTPases和MAP4K3的活性，这说明两者均是mTORC1上游的作用因子[5]。当细胞内亮氨酸浓度升高时，可通过上调GTPases和MAP4K3的活性激活mTORC1，抑制细胞自噬；反之，当亮氨酸浓度降低时，则会抑制mTORC1，上调细胞自噬。然而，亮氨酸上游调节GTPases和MAP4K3的作用机制目前尚未明晰，但有研究认为，细胞膜的表面可能存在一些膜转运蛋白，如SLC(solute-linkedcarrier)家族蛋白SLC7A5/SLC3A2，这种蛋白能对亮氨酸的转运起调控作用，当SLC7A5发生功能障碍时，亮氨酸转运入细胞内的量则会降低，从而抑制细胞生长，上调细胞自噬[5]。此外，Vps34作为PI3KC3(classIIIphosphatidylinositol3-kinasecomplex)的一种，除了可通过与Beclin1的进化保守结构域结合从而上调细胞自噬外，其自身的缺失也能抑制亮氨酸激活的mTORC1通路，这说明Vps34也是mTORC1上游重要的调节因子[6]。细胞的能量状态对mTORC1也具有调控作用。当细胞发生葡萄糖饥饿时，ATP/AMP比值降低，AMP激活的蛋白激酶(AMP-activatedproteinkinase,AMPK)被激活，激活的AMPK又能磷酸化激活结节性硬化症(tuberoussclerosiscomplex,TSC)TSC1/2复合物。该复合物是一种具有GTP酶活性的异二聚体，TSC1具有稳定该复合物的作用，而TSC2具有GTP酶活性，能对小GTP酶Rheb(Rashomologenrichedinbrain)起抑制作用，而Rheb又是激活mTORC1所必需的，当TSC2磷酸化激活后，TSC2通过加强对mTORC1的抑制性作用，从而上调细胞自噬[7]。最近研究发现，AMPK也可直接磷酸化raptorSer722位点和Ser792位点，并引起14-3-3蛋生命科学第23卷732白结合到磷酸化的raptor上，从而抑制mTORC1，激活细胞自噬[8]。另外，糖酵解过程中的甘油醛-3-磷酸脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphatedehydrogenase,GAPDH)也可直接通过抑制Rheb-mTORC1通路抑制mTORC1。以上可知，葡萄糖调节mTORC1主要通过三种途径，前两种主要与能量状态和细胞压力有关，而第三种则与糖酵解有关。生长因子信号的变化也能通过调节mTORC1调节细胞自噬，生长因子信号调节mTORC1主要通过IGF1(insulin/insulin-likegrowthfactor)-PI3Kphosphatidylinositol3-kinase)-Akt通路来实现的，该信号通路主要涉及PDK1(phosphoinositoldependentkinase)、Rheb、PTEN(phosphataseandtensinhomo-logydeletedonchromosome10)、TSC2等作用因子。前两者可激活mTORC1；后两者具有抑制mTORC1的作用。PRAS40作为Akt的底物在此通路中发挥了重要作用。Akt可通过直接磷酸化PRAS40，使其与mTORC1的抑制作用消除，从而激活mTOR信号通路。另外，当细胞缺氧或内质网(endoplasmicreticulum,ER)压力刺激时，可通过REDD1(regulatedindevelopmentandDNAdamage1)及其相关蛋白激活TSC1/2复合物[9]，从而抑制mTORC1，激活细胞自噬，但具体机制目前尚不清楚。线粒体的功能与mTORC1也存在密切的关系，线粒体氧化磷酸化可产生活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)，ROS对mTORC1通路具有双向调控作用，小剂量的ROS可通过激活Ras-PI3K-Akt通路激活m