劉效磊 牛燕媚 傅力，2

1天津體育學(xué)院健康與運(yùn)動(dòng)科學(xué)系（天津 300381）

2天津醫(yī)科大學(xué)康復(fù)與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)系（天津 300070）

哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)感受細(xì)胞外營(yíng)養(yǎng)、能量水平以及生長(zhǎng)因子等信號(hào)變化的一種絲/蘇氨酸蛋白激酶。當(dāng)細(xì)胞外環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，mTOR通過(guò)激活下游效應(yīng)蛋白 S6K1（ribosomal protein S6 kinase，polypeptide 1）參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化增殖以及蛋白質(zhì)合成等過(guò)程。S6K1的激活可以通過(guò)磷酸化S6核糖體蛋白，促進(jìn)細(xì)胞增殖及蛋白質(zhì)合成。研究表明，能量物質(zhì)攝入過(guò)多導(dǎo)致的mTOR過(guò)度激活可以引起S6K1上Thr421/Ser424位點(diǎn)磷酸化增加，進(jìn)而提高胰島素受體底物1（insulin receptor substrate 1，IRS-1）上Ser636/639位點(diǎn)絲氨酸磷酸化水平，引發(fā) 機(jī) 體 胰 島 素 抵 抗 （insulin resistance，IR）。 因 此mTOR/S6K1與細(xì)胞內(nèi)其他相關(guān)信號(hào)蛋白相互作用在肥胖和 IR 發(fā)生過(guò)程中起著重要作用［1，2］。針對(duì)mTOR/S6K1信號(hào)通路激活與抑制機(jī)制的深入研究，可為探尋治療由細(xì)胞代謝紊亂引起的IR、2型糖尿?。═2DM）等代謝性疾病的藥物作用靶點(diǎn)提供理論依據(jù)。本文就mTOR/S6K1信號(hào)通路分子調(diào)控機(jī)制以及運(yùn)動(dòng)對(duì)該信號(hào)通路影響的研究現(xiàn)狀作一綜述。

1 mTOR的分子結(jié)構(gòu)及其復(fù)合物形式

mTOR蛋白結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由2549個(gè)氨基酸組成，分子量290kDa。其蛋白氨基端存在20個(gè)連續(xù)的HEAT重復(fù)序列，這種重復(fù)序列是蛋白質(zhì)相互作用的重要位點(diǎn)，對(duì)mTOR在細(xì)胞內(nèi)的定位具有重要作用。其蛋白羧基端的中部是激酶結(jié)構(gòu)域（Kinase Domain），其氨基端一側(cè)FRB（FKBP12-Rapamycin Binding） 域?yàn)?FKBP12（FK506-binding Protein，F(xiàn)K506結(jié)合蛋白）－雷帕霉素（Rapamycin）復(fù)合物與mTOR結(jié)合區(qū)域，該區(qū)域發(fā)生突變可以阻止Rapamycin對(duì)mTOR的抑制作用。與FRB相鄰的是FAT域（Focal Adhesion Targeting Domain），其作用可能是與mTOR分子末端的FATC域（Focal Adhesion Targeting Domain of C-terminal）形成一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，從而暴露mTOR分子的催化域。在FATC域與激酶結(jié)構(gòu)域之間還存在NRD域，是mTOR的負(fù)性調(diào)節(jié)域。

mTOR在細(xì)胞內(nèi)與其他蛋白如Raptor（Regulatory-as sociated protein of TOR）和 Rictor（Rapamycin-insensitive component of TOR）等形成復(fù)合物形式而存在。其主要復(fù)合物有兩種：mTOR-Raptor復(fù)合物（mTORC1）和mTOR-Rictor復(fù)合物（mTORC2）。mTORC1在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮著重要作用，可以被雷帕霉素（Rapamycin）阻斷。胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)素水平、生長(zhǎng)因子等通過(guò)其調(diào)節(jié)下游靶蛋白如S6K1、4E-BP1（4E-Binding Protein 1）的活性，影響蛋白質(zhì)翻譯、核糖體合成等代謝過(guò)程，從而改變細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖狀態(tài)。相對(duì)于mTORC1，mTORC2對(duì)于Rapamycin不敏感，其分子中多個(gè)結(jié)構(gòu)域的功能目前仍不完全清楚。研究表明，mTORC2復(fù)合物參與細(xì)胞骨架蛋白的構(gòu)建，并且能夠作為Akt的上游信號(hào)分子參與Akt的激活［3］。胰島素以及生長(zhǎng)因子等通過(guò) PI3K/Akt通路激活 mTORC1，而mTORC2對(duì)于Akt具有激活作用，mTORC1和mTORC2可能以此協(xié)同機(jī)制共同調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)合成代謝過(guò)程。

2 生長(zhǎng)因子以及PI3K/Akt通路對(duì)mTOR/S6K 1的調(diào)節(jié)

mTOR作為營(yíng)養(yǎng)成分的感受器在IR的發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。胰島素和胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGF-1）等是mTOR重要的上游調(diào)節(jié)因子。IGF-1或胰島素與靶細(xì)胞表面受體形成配基受體復(fù)合物，其受體酪氨酸發(fā)生自體磷酸化而激活。激活后的受體激活胰島素受體底物（IRS），IRS的磷酸化誘導(dǎo)含有SH2（Src Homology 2）結(jié)構(gòu)域的PI3K調(diào)節(jié)亞基P85的結(jié)合，并激活其催化亞基P110，誘導(dǎo)產(chǎn)生磷脂酰肌醇三磷酸（PIP3），引起蛋白激酶 B（PKB/Akt）磷酸化。Akt可以進(jìn)一步激活mTOR，通過(guò)對(duì)mTOR底物S6K1的激活以及4E-BP1的抑制，促進(jìn)細(xì)胞蛋白合成［4］。Akt可以通過(guò)直接磷酸化mTOR Ser2448位點(diǎn)引起 mTOR 的激活［5］。Akt對(duì) mTOR的激活也可以通過(guò)磷酸化并抑制具有GAP（GTPase-Activating Protein）活性的 TSC2（Tuberous Sclerosis Complex 2），進(jìn)而抑制 GTP水解并誘導(dǎo) Rheb（Ras Homolog Enriched in Brain）-GTP的結(jié)合而激活mTOR。因而Akt可以通過(guò)TSC2/Rheb途徑引起mTOR的激活。另有研究表明，mTORC1的另一結(jié)合物PRAS40（Proline-rich Akt Substrate of 40-kDa）通過(guò) Raptor結(jié)合于 mTOR，而使mTORC1處于抑制狀態(tài)。PRAS40作為Akt的重要作用底物，Akt的激活可引起 PRAS40的磷酸化并使其脫離mTORC1，從而解除對(duì) mTORC1 的抑制作用［6］。

3 氨基酸對(duì)于mTOR的激活作用

氨基酸（Amino Acid，AA）、葡萄糖、脂肪酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)一般認(rèn)為是機(jī)體能量代謝的主要原料。越來(lái)越多的研究表明，這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中也發(fā)揮重要作用，影響細(xì)胞的生長(zhǎng)、增殖以及生存。在對(duì)于肝臟細(xì)胞自噬現(xiàn)象的研究中首先發(fā)現(xiàn)AA可能作為信號(hào)因子而調(diào)控代謝過(guò)程［7］。Hara等人研究發(fā)現(xiàn)，在缺乏胰島素和其他生長(zhǎng)因子的條件下，AA的大量存在可以極大地促進(jìn)mTOR的兩個(gè)重要底物—S6K1和4E-BP1的磷酸化，而給予Rapamycin后，這種磷酸化作用又被完全逆轉(zhuǎn)，表明mTOR介導(dǎo)了AA對(duì)于S6K1的促磷酸化作用［8］。mTOR作為細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)水平的感受器，其感受細(xì)胞AA水平的機(jī)制尚不完全清楚，其主要爭(zhēng)議即在于TSC1/2是否參與了該過(guò)程。部分研究者認(rèn)為，氨基酸對(duì)mTORC1的激活是通過(guò)抑制 TSC1/2或激活 Rheb的活性實(shí)現(xiàn)的［9，10］。而Nobukuni等運(yùn)用 RNA干擾（RNAi）技術(shù)沉默 TSC1/2，加入AA后 S6K1活性增強(qiáng)，但Rheb-GTP水平并沒(méi)有發(fā)生改變。這表明AA對(duì)于mTOR/S6K1的激活并不依賴于TSC1/2-Rheb信號(hào)通路［11］。而磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）的抑制劑——Wortmannin的運(yùn)用，則可以阻斷mTOR介導(dǎo)的AA對(duì)S6K1的激活作用。為了驗(yàn)證class1 PI3K在AA信號(hào)中的作用，Nobukuni研究小組運(yùn)用RNAi沉默Class1 PI3K發(fā)現(xiàn)，在AA刺激下S6K1仍然可以被激活。而在相同條件下，胰島素誘導(dǎo)的PKB和S6K1的活性則顯著降低。而對(duì)hVps34（Human Vacuolar Protein Sorting 34）基因的沉默，則顯著抑制了AA對(duì)于S6K1的激活作用。并且，在正常條件下給與細(xì)胞AA刺激后，hVps34的產(chǎn)物磷脂酰肌醇-3-磷酸（PI3P）水平明顯升高。綜上表明，hVps34可能介導(dǎo)了AA對(duì)于mTOR/S6K1的激活作用，而該信號(hào)通路的激活并不依賴于胰島素激活的 PI3K-PKB-TSC1/2-S6K1 信號(hào)通路［11］。

4 運(yùn)動(dòng)對(duì)mTOR/S6K 1信號(hào)通路的調(diào)節(jié)效應(yīng)

mTOR/S6K1是一條對(duì)運(yùn)動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)成分雙敏感的信號(hào)通路［8，12］。苑紅等人的研究表明，長(zhǎng)期的有氧運(yùn)動(dòng)可以明顯降低小鼠骨骼肌細(xì)胞內(nèi)mTOR、S6K1的mRNA及蛋白表達(dá)水平［13］，提示有氧運(yùn)動(dòng)可以抑制mTOR/S6K1通路的活性。一磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-actived Protein Kinase，AMPK）作為高度保守的細(xì)胞內(nèi)能量狀態(tài)的感受器，可以在細(xì)胞高AMP狀態(tài)時(shí)被激活，而目前大量研究已經(jīng)證實(shí)，運(yùn)動(dòng)可以使骨骼肌細(xì)胞AMPK表達(dá)水平及其活性顯著升高［14-16］，并且運(yùn)動(dòng)引起的AMPK的激活可以抑制 mTOR的活性［12］。由此推論，AMPK途徑可能參與了運(yùn)動(dòng)對(duì)mTOR/S6K1信號(hào)通路的調(diào)節(jié)。

為研究 AMPK抑制 mTOR/S6K1活性的分子機(jī)制，Inoki等人通過(guò)限制細(xì)胞培養(yǎng)液的能量供應(yīng)，引起細(xì)胞內(nèi)AMP水平升高，使 AMPK激活后發(fā)現(xiàn)TSC2上Thr1227和Ser1345位點(diǎn)磷酸化水平顯著提高，而S6K1上Thr389/421以及Ser424位點(diǎn)的磷酸化水平降低。為探究TSC2在其中的作用，運(yùn)用RNAi技術(shù)對(duì)細(xì)胞TSC2基因沉默后發(fā)現(xiàn)，在AMPK激活的狀態(tài)下，細(xì)胞S6K1的去磷酸化受到抑制［17］。提示TSC2位于AMPK下游并介導(dǎo)了其對(duì)S6K1的去磷酸化作用。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由運(yùn)動(dòng)或能量限制引起細(xì)胞AMPK的激活可能會(huì)促進(jìn)TSC2磷酸化并通過(guò)抑制mTOR的活性，進(jìn)而抑制S6K1的磷酸化，從而在細(xì)胞能量供應(yīng)不足狀態(tài)下通過(guò)抑制蛋白合成以維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。另有報(bào)道證明，AMPK的激活也可能通過(guò)磷酸化mTOR Thr2446位點(diǎn)而抑制S6K1的磷酸化及其活性［12］。

mTORC1 由 mTOR，m LST8/Gbl，PRAS40 和 Raptor四部分組成。Raptor結(jié)合于mTOR分子氨基末端的HEAT重復(fù)序列。有研究表明，Raptor作為mTOR的一個(gè)調(diào)節(jié)性蛋白，可能在維持mTOR分子結(jié)構(gòu)、連接mTOR及其下游分子或調(diào)節(jié)mTOR在細(xì)胞內(nèi)的定位方面發(fā)揮重要作用［18］。運(yùn)用 RNAi抑制 Raptor表達(dá)顯著降低了mTORC1的活性，表明Raptor在控制mTORC1活性方面發(fā)揮著重要作用［19，20］。最近 Dana等的研究認(rèn)為，mTOR結(jié)合物Raptor可以作為AMPK的直接作用底物被磷酸化，對(duì)于mTORC1的抑制起到關(guān)鍵性作用。通過(guò)RNAi技術(shù)沉默 TSC2 的 MEFs（Murine Embryonic Fibroblasts）細(xì)胞，當(dāng)給予AMPK的激動(dòng)劑AICAR處理后，細(xì)胞mTORC1活性仍能被抑制［21］，由此證明，TSC2不是AMPK調(diào)節(jié)mTORC1活性唯一的中間蛋白。Dana的實(shí)驗(yàn)證明，AMPK的激活可以引起Raptor Ser722和Ser792位點(diǎn)發(fā)生磷酸化。對(duì)該兩位點(diǎn)誘導(dǎo)突變后，無(wú)論TSC2+/+還是TSC2-/-的細(xì)胞內(nèi)，AMPK的激活對(duì)于mTOR信號(hào)無(wú)顯著影響，表明Raptor Ser722/792位點(diǎn)的磷酸化在AMPK誘導(dǎo)的mTORC1的抑制過(guò)程中起關(guān)鍵作用。其機(jī)制可能是AMPK引起Raptor Ser722/792位點(diǎn)磷酸化，誘導(dǎo)14-3-3家族蛋白與Raptor的結(jié)合，進(jìn)而抑制mTORC1的活性［22］。

綜上所述，由運(yùn)動(dòng)刺激或能量限制引起的AMPK的激活可能是通過(guò)磷酸化TSC2和Raptor兩條并行的途徑達(dá)到抑制mTORC1活性的生物學(xué)效應(yīng)。

通過(guò)常規(guī)抗阻訓(xùn)練增大肌肉組織體積主要是通過(guò)Ⅱ型肌纖維的增生實(shí)現(xiàn)的［22］。這種由于抗阻訓(xùn)練造成的骨骼肌蛋白質(zhì)合成增加的分子機(jī)制尚不完全明確。許多研究認(rèn)為，抗阻訓(xùn)練通過(guò)激活一系列信號(hào)途徑激活S6K1，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)蛋白表達(dá)［23］。部分研究者認(rèn)為，在骨骼肌組織中抗阻訓(xùn)練對(duì)S6K1的激活并不依賴于PKB/Akt途徑［24，25］，而另外一些研究表明，抗阻訓(xùn)練后骨骼肌細(xì)胞 Akt磷酸化明顯增加［26，27］。為研究 PI3K/Akt通路在介導(dǎo)抗阻運(yùn)動(dòng)激活mTOR過(guò)程中發(fā)揮的作用，O’Neil等人研究了單次急性抗阻運(yùn)動(dòng)后相關(guān)蛋白的激活情況，結(jié)果顯示，單次急性抗阻運(yùn)動(dòng)后PI3K/Akt的激活是短暫的（<15min），而mTOR的激活則持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間（>12hrs）。運(yùn)用PI3K抑制劑Wortmannin對(duì)PI3K/Akt通路的抑制對(duì)于mTOR活性沒(méi)有顯著影響，表明PI3K/Akt并非是介導(dǎo)抗阻運(yùn)動(dòng)激活mTOR的主導(dǎo)通路［28］。

如前文所述，有氧運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致細(xì)胞ATP/AMP比例降低以激活A(yù)MPK，從而抑制mTOR活性。而Dreyer等的研究表明，在抗阻訓(xùn)練后骨骼肌細(xì)胞在AMPK同樣被明顯激活的情況下，mTOR活性也顯著增強(qiáng)［27］。這表明，除AMPK途徑外，運(yùn)動(dòng)還可以通過(guò)其他途徑影響mTOR/S6K1活性，進(jìn)而影響蛋白合成。O’Neil等人的研究發(fā)現(xiàn)，急性向心收縮抗阻運(yùn)動(dòng)刺激使骨骼肌細(xì)胞由磷脂酶 D（Phospholipase D，PLD）誘導(dǎo)產(chǎn)生的磷脂酸（Phosphatidic Acid，PA）水平持續(xù)升高，mTOR活性顯著提高，而對(duì)磷脂酶D的抑制則引起mTOR活性的降低［28］。因而抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)mTOR的激活需要PLD和PA的參與。

另有研究表明，抗阻訓(xùn)練后，骨骼肌細(xì)胞內(nèi)ERK1/2（Extracellular Signal-regulated Kinase）以及 P38磷酸化水平顯著升高［29］。Deldicque等運(yùn)用 RNAi抑制 C2C12細(xì)胞ERK1/2或P38的表達(dá)，結(jié)果顯示S6K1 Ser424及Thr421位點(diǎn)磷酸化水平顯著下降，并推測(cè)S6K1 Ser424/Thr421位點(diǎn)的磷酸化有助于 Thr389的磷酸化，而Thr389位點(diǎn)的磷酸化對(duì)于S6K1的激活具有決定意義［30］。因而，促分裂原活化蛋白激酶（mitogen Activated Protein Kinase，MAPK，這里主要是ERK1/2和 P38）可能介導(dǎo)了抗阻運(yùn)動(dòng)激活S6K1以及促進(jìn)蛋白合成的生物學(xué)效應(yīng)。而ERK激活mTOR的機(jī)制，Ma等研究認(rèn)為，ERK的激活促進(jìn) TSC2Ser540和Ser664位點(diǎn)的磷酸化，TSC2該位點(diǎn)的磷酸化引起TSC1-TSC2復(fù)合物的分離，使TSC2活性降低，進(jìn)而激活 mTOR/S6K1通路［29］。而最近 Audrey等的研究表明，Ras/MAPK對(duì)mTORC1活性的調(diào)節(jié)，還可以由 RSK1/2（p90 Ribosomal S6 Kinases）介導(dǎo)并引起mTOR結(jié)合蛋白R(shí)aptor RXRXXpS/T（Arg/Lys-X-Arg/Lys-X-X-pSer/Thr，X是任意的氨基酸） 基序的 Ser719，Ser721和 Ser722位點(diǎn)磷酸化，進(jìn)而激活 mTORC1［31］。

5 小結(jié)及展望

由于mTOR在細(xì)胞增殖、生長(zhǎng)、分化以及腫瘤發(fā)生方面發(fā)揮的巨大作用，對(duì)于mTOR的研究越來(lái)越引起關(guān)注。目前人們對(duì)mTOR信號(hào)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)仍存在著很多不足，比如幾條信號(hào)通路在調(diào)控mTOR時(shí)的交互作用，Rheb調(diào)節(jié)mTOR活性的分子機(jī)制，細(xì)胞自身對(duì)mTOR活性的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制等。由于運(yùn)動(dòng)在代謝性疾病防治過(guò)程中的積極作用，關(guān)于運(yùn)動(dòng)對(duì)mTOR活性調(diào)節(jié)機(jī)制的深入研究，不僅有助于我們?nèi)胬斫鈓TOR的調(diào)節(jié)機(jī)制，而且可以為采用運(yùn)動(dòng)手段改善由mTOR/S6K1信號(hào)通路活性異常導(dǎo)致的IR、T2DM、癌癥以及各種心血管疾病等提供理論依據(jù)。

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