mTOR通路是如何调控自噬的？

mTOR通路是如何调控自噬的？

mTOR是细胞生长和代谢的主要调节分子，可促进合成代谢过程，如核糖体的生物发生（Ribosome biogenesis）以及蛋白质、核苷酸、脂肪酸和脂质的合成，并抑制分解代谢过程，如自噬。mTOR信号的失调与许多人类疾病有关，包括糖尿病、神经退行性疾病和癌症。

图 1. mTOR 信号通路及对疾病的影响[2]

mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，属于PI3K相关激酶（PIKK）家族的成员，可与几种蛋白质相互作用形成两个不同的复合物，分别称为mTOR复合物1（mTORC1）和2（mTORC2）。mTORC1包含mTOR、Raptor、PRAS40、mLST8和DEPTOR，对雷帕霉素（Rapamycin）敏感；mTORC2包含mTOR、Rictor、SIN1、Protor-1、mLST8和DEPTOR，对雷帕霉素急性治疗不敏感。

mTOR通过与mTORC1或mTORC2的关键组分如Raptor、Rictor、LST8和SIN1作用，催化多个靶标的磷酸化，如S6K1、4E-BP1、Akt、PKC、IGF-IR和ULK1，从而调节蛋白合成、营养代谢、生长因子信号传导、细胞生长和迁移以及调节自噬等。

mTOR1/2的活化

mTORC1受多种刺激（例如生长因子、营养物质、能量和应激信号）以及基本信号传导途径（例如PI3K、MAPK和AMPK）激活。

1. 生长因子和激素（例如胰岛素）通过I类PI3K及其下游效应子AKT的激活来调节mTORC1信号传导，从而逆转TSC1/TSC2复合物和PRAS40对mTORC1信号传导的抑制作用；
2. 营养物质如氨基酸通过促进RAS相关GTP结合蛋白（RAG）异二聚体向活性构象的转化来刺激mTORC1；
3. 细胞能量状态如低ATP水平下，通过AMPK磷酸化TSC2，mTORC1活性受到抑制。除PI3K和AMPK途径外，RAS/MAPK信号也触发了mTORC1信号的激活。此外，Hippo途径和Wnt途径也参与了对mTORC1和mTORC2的调控。

图 2. mTOR 上游：经典和非经典输入[1]

mTORC1活化后，通过磷酸化下游效应因子S6K和4E-BP促进合成代谢过程，例如蛋白质、脂质和核苷酸合成，同时，通过ULK1抑制分解代谢程序，从而导致自噬抑制。与mTORC1相比，对mTORC2的了解较少。如mTORC2可防止AKT泛素化和降解。mTORC2还可激活SREBP1c促进成脂基因表达，以及刺激胰岛素样生长因子2（IGF2）的产生。

mTOR与自噬

自噬是一种溶酶体降解系统，涉及从头自噬形成。而自噬体的形成是由一系列称为Atg或“自噬相关”蛋白的蛋白质的协同作用驱动的。成熟的自噬体与溶酶体融合后，会被酸化，形成自溶酶体。溶酶体与自噬体的融合降解捕获的蛋白质，脂质，碳水化合物，核酸和细胞器。

大量研究表明mTORC1是自噬的关键调节剂，调节自噬过程中不同步骤（如成核，自噬体延伸，自噬体成熟和终止）。因此，mTORC1是调控自噬的极具潜力的靶标。

图 3. mTORC1 对自噬各个步骤的调控[9]

mTORC1如何调控自噬呢？

1. 研究表明，mTORC1通过磷酸化使形成的自噬调节复合物（由ULK1和其互作蛋白Atg13、FIP200、Atg101等形成）失活，从而影响自噬小体的生物发生。在营养丰富的条件下，mTORC1通过介导ULK1（Ser637和Ser757）和Atg13（Ser258）特定位点磷酸化，抑制ULK1复合物的自噬促进激酶（Autophagy-promoting kinase）活性。在饥饿和细胞应激期间，mTORC1活性被抑制，于是与ULK1分离。因此，ULK1和Atg13的特定位点的磷酸化被解除。同时，ULK1复合物通过Thr180处自磷酸化而变得活跃，并磷酸化Atg13、FIP200、Atg101和其他Atg蛋白。活跃的ULK1复合物随后转移到内质网的隔离膜上，自噬启动。

图 4. mTORC1 对 ULK1 复合物的调控作用[9]

2. 另外，AMPK也与自噬有关。在葡萄糖充足的情况下，活性mTORC1通过磷酸化ULK1特定位点（Ser 757）并破坏ULK1与AMPK之间的相互作用来阻止ULK1活化，抑制自噬启动。在葡萄糖不足的情况下，AMPK被激活，mTORC1的磷酸化而被AMPK抑制，随后ULK1可以与AMPK相互作用并被AMPK磷酸化，活化的ULK1启动自噬。

3. 自噬的成核步骤受到PI3KC3复合体I中Atg14、AMBRA1和NRBF2的磷酸化抑制。因此，mTORC1可以通过磷酸化其成分Atg14，AMBRA1和NRBF2直接调节PI3KC3-CI的活性。

4. 研究表明，mTORC1通过分别靶向WIPI2和p300乙酰转移酶参与调节自噬体形成的延伸步骤，以及LC3与自噬体膜的结合。如通过抑制p300分子内自抑制，可促进LC3的乙酰化，这阻碍了LC3的脂化。

5. mTORC1还可以通过调节溶酶体生物发生所需基因的转录来间接抑制自噬。如TFEB是溶酶体生物发生和自噬基因的主要转录调节因子。TFEB可上调与自噬体形成、自噬体与溶酶体的融合相关，以及溶酶体生物发生所需的一系列基因。此外，TFEB的过表达可增加UVRAG、WIPI、MAPLC3B、SQSTM1、V11、V19和ATG9B的表达，它们参与了自噬的各个步骤。此外，mTORC2也可通过激活mTORC1间接抑制自噬。

由于自噬与运动、代谢适应和衰老等生理过程，以及神经退行性疾病、传染病、心血管疾病，癌症等疾病过程有关，但自噬诱导是利是弊，取决于疾病的类型或阶段。例如，当营养有限时，自噬可以通过向肿瘤细胞提供营养来促进肿瘤发生和发展。因此，自噬的抑制可能使癌细胞对代谢应激条件敏感，从而导致细胞死亡。另外，mTORC1作为自噬的主要调节剂，参与自噬过程，是极具有潜力靶标，实际上，mTORC1的失调已经牵涉到与自噬缺陷相关的疾病中，并且已经有mTOR抑制剂在临床试验中或获批用于治疗这些疾病。

总之，mTOR促进合成代谢并抑制自噬诱导，而用mTOR抑制剂调节自噬为多种疾病提供了新的治疗策略。

具有诱导自噬作用的mTOR抑制剂

• Rapamycin：有效且特异性的mTOR抑制剂，作用于HEK293细胞，抑制mTOR，IC50为0.1nM；与FKBP12结合且抑制mTORC1；还是一种自噬（autophagy）激活剂，免疫抑制剂。
• CCl-779：mTOR抑制剂，IC50值为1.76μM；能激活自噬（autophagy），在动物模型中防止心脏功能恶化。
• WYE-354：ATP竞争性的mTOR抑制剂，IC50为5nM；能抑制mTORC1和mTORC2；在体外能诱导自噬（autophagy）激活。
• Metformin：抑制肝脏中的线粒体呼吸链，导致AMPK活化，增强胰岛素敏感性，可用于2型糖尿病的研究；可以透过血脑屏障，诱导自噬（autophagy）。