mTOR是什么?关于mTOR的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:52:09

mTOR(哺乳动物雷帕霉素靶蛋白,mammalian target of Rapamycin)是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,因其是雷帕霉素的作用靶点而得名。以mTOR为核心的mTOR复合体(mTORC)是许多重要细胞信号通路的核心,因此mTOR在维持细胞能量代谢平衡、响应细胞外部环境、调节细胞破坏和构建活动、影响细胞分裂、参与细胞自噬和凋亡等方面有着重要作用。在许多疾病,如肿瘤、糖尿病、神经退行性疾病、自身免疫中,mTOR也有重要的病理意义,以mTOR为靶点的药物设计亦是一个研究热点。此外,mTOR还被认为与衰老和个体寿命有一定关联。2017年,被誉为“诺奖风向标”的拉斯克医学奖颁给了mTOR信号通路的主要发现人Michael N. Hall而以研究雷帕霉素与mTOR闻名的化学生物学开山鼻祖Stuart L. Schreiber则获得了2016年的沃尔夫化学奖。

mTOR的发现历史——复活节岛和雷帕霉素

位于南太平洋的复活节岛,以其上有数百座神秘的复活节岛巨人石像而闻名于世。上世纪60年代,科学家开始对这里植物和土壤中的天然产物展开研究,以期发现新的抗生素和抗真菌药物。1975年,化学家Suren N. Sehgal从复活节岛上的泥土中分离出一种具有潜在抗真菌活性的天然产物,因为复活节岛在当地语言中叫做Rapa Nui, 这种天然产物便被命名为雷帕霉素(Rapamycin)。

虽然雷帕霉素最初的功能是抗真菌作用,但在后续的研究中,雷帕霉素被发现具有免疫抑制活性和抗细胞增殖活性。雷帕霉素会抑制细胞从DNA合成前期(G1期)向DNA合成期(S期)转化,在人体中这一效应会影响淋巴细胞活化,从而抑制免疫功能。因此,雷帕霉素被广泛用于抗自身免疫病和预防器官移植后的排异反应中。而外科医生Roy Calne和Thomas E. Starzl等人则首创将雷帕霉素等免疫抑制剂运用于器官移植中,大大延长了器官移植后患者的生存时间,拯救了数以万计的生命,他们也因此获得了2012年的拉斯克医学奖。

相比于雷帕霉素在临床上的成功应用,对雷帕霉素的机理的研究则要滞后许多。直到上世纪90年代,化学生物学家Stuart L. Schreiber发现雷帕霉素和另一种结构类似的免疫抑制剂FK506都可以与同一种蛋白结合,他将这种蛋白质命名为FKBP12(FK506 binding protein 12)。然而,由于直接抑制FKBP12并不能产生与雷帕霉素类似的效果,雷帕霉素真正的靶点另有其“人”,而FKBP12只是雷帕霉素发挥作用的中间载体。很快,Stuart L. Schreiber和David M. Sabatini等用放射性同位素标记和化学交联法从细胞中“钓”出了雷帕霉素真正的靶蛋白,Schreiber将其命名为FRAP1(FKBP12-rapamycin-associated protein 1)。几乎与此同时,分子生物学家Michael N. Hall等则通过功能基因组学鉴别出了与雷帕霉素活性相关的基因,他将其命名为TOR(target of Rapamycin)。后来,进一步研究表明TOR就是FRAP1蛋白所对应的基因。雷帕霉素的真正靶点终于大白于天下。

mTOR信号通路与生理功能

mTOR在细胞内的众多生理功能主要是通过两个以mTOR为核心的mTOR复合体,mTORC1和mTORC2来实现的。

mTORC1的组成和功能目前被研究的比较多,其主要包括五个组成部分:mTOR, Raptor, mLST8, PRAS40和Deptor。在mTORC1的上游,主要感知的外界信号包括:氨基酸,氧气,糖,能量(ATP),胰岛素,生长因子,Wnt信号(发育相关),TNF-α(炎症因子)等。其中,缺氧和能量缺乏导致mTORC1受抑制,糖分、氨基酸、胰岛素、生长因子、Wnt信号、TNF-α导致mTORC1被激活。而在mTORC1的下游,受其调控的效应器主要包括S6K1(蛋白质合成),4E-BP1(mRNA合成),ULK1(自噬),CLIP-170(微管形成),Lipin-1(脂质合成),ATG-1(凋亡)等。

mTORC2主要包括六个组成部分:mTOR, Rictor, mSIN1, Proctor-1, mLST8和Deptor。对mTORC2目前的研究相对较少,现在已知在其上游主要感知的外界信号是胰岛素和胰岛素样生长因子,而在其下游,最主要的磷酸化位点是AKT,AKT被活化后,可以进一步通过下游的信号通路影响细胞生存、增殖和生长。

总的来说,mTOR在细胞中扮演着一个类似于“节拍器”的重要作用。当外界条件有利营养充足时,mTOR被激活,从而促进细胞合成新的生物分子,阻止生物分子的降解,促进细胞生长和增殖;反之,当外界条件不利养分缺乏时,mTOR被抑制,细胞停止合成新的生物分子,甚至通过促进自噬等方式降解已有的胞内物质为细胞供能,帮助细胞渡过难关。

mTOR的化学生物学和结构生物学

虽然雷帕霉素及其类似物从一开始就被用于抑制mTOR,以研究mTOR信号通路的生理功能,但很长时间以来,对于雷帕霉素怎样在分子层面上结合mTOR并抑制其功能的了解知之甚少。研究表明,在不存在FKBP12的情况下,雷帕霉素对mTOR的抑制活性很弱,这暗示雷帕霉素并不是直接结合在mTOR的催化位点上的。2010年,一项关于mTORC1的冷冻电镜结构研究给出了初步的答案:雷帕霉素先与FKBP12结合,然后该复合物再与mTOR结合,并通过变构效应阻碍mTOR与其他蛋白组装为mTORC1,继而影响下游信号通路。

由于mTOR在肿瘤、糖尿病等疾病中的地位越来越重要,像雷帕霉素类似物这样通过变构调节来抑制mTOR的小分子活性偏低,无法完全满足药物化学的要求。因此近年来,研究人员希望能找到直接与mTOR的ATP结合位点(即催化位点)竞争性结合的小分子。通过将mTOR与其他已知结构的同类激酶进行序列对比并同源建模,来自麻省理工学院(MIT)和加州大学旧金山分校(UCSF)的科学家设计出了第一批通过结合ATP结合位点直接抑制mTOR的强效抑制剂,即Torin1和PP242。在后续研究中,这两种分子被用于获取mTOR和它们结合后的X射线晶体衍射结构,为进一步优化mTOR抑制剂指明了方向。

mTOR与人类健康

由于mTOR在细胞生命活动和代谢调控中的中心地位,mTOR信号通路与许多人类疾病,如糖尿病、肿瘤、神经退行性疾病、免疫和衰老有着密切的关联。

mTOR与糖尿病

在健康人中,mTOR通过感知外界营养来源和胰岛素等信号,小心翼翼地维持着代谢的平衡。当血糖升高时,胰岛素开始释放,在骨骼肌中,胰岛素正是通过激活mTORC2-Akt信号通路促进血糖吸收和肌糖原合成;与此同时,氨基酸等小分子营养物质则通过激活mTORC1相关信号通路,促进组织对氨基酸的吸收和利用。而mTORC1和mTORC2亦可组成一个反馈循环,当mTORC1被激活时,下游的PI3K被抑制,进而抑制mTORC2-Akt的活性。

因此,当过多的营养物质长期刺激mTORC1的活性时,主要负责感知胰岛素信号的mTORC2信号通路却被抑制了,这也就是为什么营养过剩导致的肥胖容易导致胰岛素耐受、进而发展为II型糖尿病的原理之一。

理论上,人为抑制mTORC1可以扭转营养过剩带来的胰岛素耐受,这也可以看做是用药物分子来“模拟饥饿状态”。常见的治疗糖尿病的一线药物,二甲双胍,即被发现可以通过上游信号通路来抑制mTORC1活性。然而,现有的mTOR抑制剂雷帕霉素治疗在临床中并未观察到对胰岛素耐受有所改善,这可能是因为雷帕霉素长期使用亦可降低mTORC2活性所致。因此,未来的抗糖尿病药物需要寻找针对mTORC1而不影响mTORC2的特异性抑制剂。

mTOR与神经退行性疾病

在大脑中,mTOR信号通路亦有重要的功能。成年人的脑细胞几乎不存在分裂能力,因此,mTOR在大脑中的主要功能可能与维持代谢平衡,尤其是调节自噬有关。

许多神经退行性疾病,如阿尔茨海默病,帕金森症,亨廷顿氏舞蹈症等,都被认为与错误折叠的蛋白(如β淀粉样变性)大量沉积有一定关系,而自噬过程则可以帮助脑细胞清理错误折叠的蛋白。在研究中,亦发现在这些疾病的患者脑中,mTORC1存在过度活化的迹象,但目前尚不清楚mTORC1过度活化是这些疾病的根本原因,抑或只是病理过程中的一个环节。不过近年来,研究人员在小鼠等动物模型中观察到,雷帕霉素可以改善帕金森症、阿尔茨海默病、亨廷顿氏舞蹈症等神经退行性疾病的症状,这也意味着mTOR是一个潜在的开发对抗神经退行性疾病的药物靶点。

mTOR与肿瘤

mTOR一开始被关注的生理功能就是它对细胞分裂的调控,mTOR与肿瘤的发生和治疗一直都有着非常密切的关系。肿瘤细胞由于自身的无限分裂,需要充分利用环境中的营养物质以供其快速增殖,因此,在许多类型的肿瘤中mTOR时常处于过度活化的状态。mTOR信号通路在肿瘤细胞中被活化不但可以促进肿瘤细胞生长,还可以通过促进微管生长等方式促进细胞分裂。而在肿瘤面对化疗药物等恶劣环境时,mTOR被抑制,进而促进细胞自噬等活动,相当于开启了“生存模式”,使癌细胞躲过一劫,产生对化疗的耐药性。

正因为此,以mTOR为靶点的分子一直都被当做新一代抗肿瘤药物的潜力股。在目前FDA批准的三种mTOR抑制剂中,有两种都是抗癌药物,分别是替西罗莫司(Temsirolimus)和依维莫司(everolimus),都用于治疗肾细胞癌。不过,迄今为止的mTOR抑制剂仍未能在其他癌症的治疗中产生令人满意的疗效,这可能与以下几点有关:首先,目前商品化的mTOR抑制剂均为雷帕霉素类似物,这类分子只能通过变构调节来抑制mTORC1的组装,因此对mTOR的抑制作用不够强烈,且对mTOR下游的信号通路的抑制存在选择性;其次,由于mTORC1和mTORC2之间存在一定的负反馈,而雷帕霉素类似物主要抑制mTORC1,所以反而促进了mTORC2发挥促进癌细胞分裂的功能;第三,mTOR被抑制后,自噬等生存相关通路上调,使癌细胞产生耐药性。

针对以上困境,目前的药物化学主要集中在以下几个方向:一是开发针对ATP结合位点的mTOR抑制剂(参见“mTOR的化学生物学和结构生物学”),二是将mTOR与自噬抑制剂(如羟氯喹)联用。相信在解决这些问题后,以mTOR为靶点的化疗药物仍具有广阔的前景。

mTOR与自身免疫

最经典的mTOR抑制剂雷帕霉素最主要的适应症即为器官移植后的排异反应,而mTOR与免疫细胞,尤其是T细胞活化之间的联系也久为人知。研究表明,mTORC1活化后,可以通过一系列下游信号通路促进Th17细胞活化,而Th17细胞的异常活化被认为参与了包括类风湿性关节炎、克罗恩病等诸多自身免疫病的过程中。与之相对应的,抑制mTORC1和mTORC2的活性可以促使产生免疫抑制性的Treg细胞。因此,近年来有一些临床实验尝试使用雷帕霉素等mTOR抑制剂,以部分取代经典的糖皮质激素等免疫抑制剂,用于一些自身免疫病的治疗中,并取得了一定成功。

mTOR与衰老和寿命

延年益寿是医学的终极使命,因此长期以来,科学家对于能显著改变个体寿命的关键基因或蛋白质都有着浓厚的兴趣。mTOR便是近年来被热点关注的一个衰老/寿命相关蛋白。无论是在酵母、线虫、果蝇还是小鼠中,抑制mTORC1的功能都被报道可以显著延长个体寿命。更令人兴奋的是,雷帕霉素甚至可以在一些动物模型中延缓衰老的进程。mTOR是如何影响衰老进而影响寿命的呢?研究发现,mTOR被抑制产生的效果,来自对节食的模拟。在动物和人类中,适当节食都可以使个体更为健康,从而延长寿命减缓衰老。然而,动物实验表明,如果敲除mTOR相关基因,节食无法有效延长个体的寿命。因此,节食要发挥延年益寿的作用,mTOR是必须的。

通过节食,mTOR的活性被抑制,进而降低细胞转录和翻译的速率,这减少了产生错误折叠的蛋白质的可能性,而mTOR被抑制导致自噬的促进又进一步提高了错误蛋白被及时消化的能力。mTOR被抑制亦减少了细胞对一些氨基酸的摄取,而实验表明,限制摄入甲硫氨酸可以延长果蝇的寿命。另外,mTOR被抑制可以放缓细胞的新陈代谢,使其产生较少的自由基和其他有害的代谢副产物,降低对细胞的损伤。在组织层面上,mTOR被抑制可以延缓干细胞库被耗竭,这些干细胞一旦耗竭无法再生,这也是寿命的决定因素之一。

受到mTOR抑制剂在动物实验中成功“延年益寿”的鼓舞,近年来,科学家也在探索mTOR抑制剂用于延长人来健康寿命的可能性。传统的mTOR抑制剂如雷帕霉素等存在诸如免疫抑制等副作用,这使其不太可能直接用于延长健康人的寿命。然而,正在开发中的新一代mTOR抑制剂已在一些人体实验中展示出提高老年人免疫力、降低感染风险等“延年益寿”的效果。mTOR这一与“复活节岛”有着千丝万缕联系的神奇蛋白,也正在给人类世界带来新的生命希望。