張 穎 綜述，郝 進 審校

(重慶醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院皮膚科 400002)

隨著人們生活水平的提高，全身代謝性疾病逐漸成為影響人類生活質(zhì)量的主要疾病之一。在近年的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，糖尿病的發(fā)生率較過去20年間呈數(shù)倍增加，尤其糖尿病并發(fā)癥引起的死亡率較前大大提升。所以深入研究糖尿病的發(fā)生、發(fā)展機制成為目前治療糖尿病的關鍵。mTOR信號通路是雷帕霉素的靶分子，是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在感受營養(yǎng)信號、調(diào)節(jié)細胞生長和增殖中起關鍵性的作用。mTOR Complex1-S6K1信號通路可受如生長因子、激素、能量信號等多種因素的調(diào)節(jié)，在糖尿病的發(fā)生、發(fā)展中起重要作用。本文將詳細闡述mTOR Complex1-S6K1信號通路在糖尿病的發(fā)生發(fā)展中的作用機制。

1 mTOR Complex1-S6K1信號通路

1.1mTOR 的功能、結(jié)構(gòu)及組成 mTOR是在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)的一個高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，由2 549個氨基酸組成，相對分子質(zhì)量為290×103,屬于PIKK超家族成員之一，其作用與細胞調(diào)節(jié)，增生調(diào)控和癌細胞新陳代謝有關。PIKK家族成員羧基末端有絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶區(qū)域，類似于磷脂酰肌醇3激酶和磷脂酰肌醇4激酶的催化域。在氨基末端存在有20多個HEAT串聯(lián)重復序列。每一個HEAT基序都有大約40個氨基酸組成，形成一個反向平行的α環(huán)。在多蛋白復合物中，HEAT可以介導蛋白質(zhì)之間的相互作用。氨基端一側(cè)FRB區(qū)域相對分子質(zhì)量為11×103，是FKBP12-雷帕霉素與mTOR結(jié)合區(qū)域，此位點可以抑制雷帕霉素和mTOR之間的相互作用。雷帕霉素與FKBP12結(jié)合后可以中斷蛋白質(zhì)之間的相互作用從而抑制mTOR的功能[1]。 氨基端一側(cè)的FAT區(qū)域，大約有500個氨基酸。FAT區(qū)域僅在PIKK家族存在的情況下出現(xiàn)，但其機制仍然不清楚。目前推測，此區(qū)域功能可能類似于HEAT串聯(lián)重復序列充當支架或蛋白質(zhì)之間相互作用的區(qū)域。羧基末端包含一個大約35個氨基酸的短序列稱為FATC區(qū)域。FATC區(qū)域僅僅在與FAT區(qū)域相互作用的時候存在，可能對PIK相關激酶的催化活性有重要作用[2]。在哺乳動物中，mTOR以兩種復合物的形式存在。

mTOR Complex1包含mTOR、Raptor、PRAS40、GβL,可以被雷帕霉素阻斷，細胞內(nèi)的生長因子、營養(yǎng)物質(zhì)、能量等因素可以通過調(diào)節(jié)下游靶蛋白(如S6K1、4E-BP1等)的活性，影響蛋白質(zhì)翻譯、mRNA生成、核糖體形成等代謝過程[3-5]。mTOR Complex2包含mTOR、Rictor、mSin1和mLST8,對雷帕霉素不敏感，但可以磷酸化蛋白激酶B(PKB/Akt)，兩種復合物都受到有絲分裂原的刺激，但僅有 mTOR Complex1 受到營養(yǎng)物質(zhì)和能量攝入的控制[4-6]。

1.2S6K1的功能及組成 S6K1是mTOR信號通路下游的效應蛋白之一，是一個屬于AGC激酶家族的Ser/Thr激酶。它參與調(diào)節(jié)細胞生長、分化增殖以及蛋白質(zhì)合成等過程。S6K1的激活可以通過磷酸化S6核糖體蛋白促進細胞增殖及蛋白質(zhì)合成[7]。

S6K1包括兩個亞型，分別是S6K1L和S6K1S，前者主要存在于細胞核中，后者主要存在于細胞質(zhì)中，在細胞中兩者的調(diào)控方式相似。S6K1的活性主要取決于其殘基的功能，其殘基主要包括T229、T389、S371。相關研究表明殘基T389是雷帕霉素最敏感的結(jié)合位點，并可直接調(diào)控T389的磷酸化，同樣也可以通過3′磷酸肌醇依賴的激酶(PDK1)介導T229的磷酸化[6]。

1.3mTOR Complex1-S6K1信號通路活化的調(diào)控機制 mTOR Complex1-S6K1信號通路受多種因素的調(diào)控，氨基酸、葡萄糖等信號通過Class Ⅲ PI3K通路激活mTORC1，胰島素及生長因子等則通過ClassⅠPI3K/PKB通路激活mTORC1。mTORC1通路激活使其下游分子4E-BP1、S6增加，從而促進細胞生長及代謝[8-9]。

2 mTOR Complex1-S6K1信號通路對糖尿病發(fā)生、發(fā)展的影響及機制

糖尿病是一組以慢性血葡萄糖水平增高為特征的代謝性疾病，是由于胰島素分泌和(或)作用缺陷所引起。2型糖尿病的發(fā)病原因非常復雜，除遺傳因素外，主要為營養(yǎng)過剩、能量積聚過多而引起的肥胖。在糖尿病發(fā)生發(fā)展過程中所出現(xiàn)的高血糖和脂代謝紊亂可進一步降低胰島素敏感性并且損傷胰島B細胞功能。上述所說的糖尿病發(fā)病特征均可活化mTOR信號通路。

2.1營養(yǎng)物質(zhì)對mTOR Complex1-S6K1信號通路的激活作用 胰島素誘導經(jīng)典I PI3K-PKB信號通路同樣可以被其他生長因子激活，比如表皮生長因子(EGF)、胰島素樣生長因子(IGF)和血小板衍生生長因子(PDGF)[10]。上述路徑一旦被激活，PKB/Akt能夠介導許多特殊底物的磷酸化，除了caspase 9和細胞死亡拮抗劑BCL-2(BAD)，最終達到促存活反應[11]。雖然mTOR Complex1的激活與這些反應有關，但是在缺乏營養(yǎng)物質(zhì)或者細胞能量的時候mTOR Complex1的激酶活性是不會被PI3K觸發(fā)的。目前有研究分析營養(yǎng)素的作用，尤其是氨基酸，揭示了存在一個新的信號級聯(lián)反應激活mTOR Complex1[12-13]。氨基酸與mTOR Complex1有關的想法首先在培養(yǎng)肝細胞的研究中發(fā)現(xiàn)的，氨基酸可以抑制大分子自發(fā)吞噬作用的進行。在這項研究中，表明這種對大分子自發(fā)吞噬作用的抑制影響與增加40S核糖體亞基蛋白S6的磷酸化是相一致的。隨后許多研究都表明氨基酸能夠誘導S6K1和4E-BP1的磷酸化，尤其是依賴mTOR Complex1的支鏈氨基酸亮氨酸[14]。后來在許多胰島素敏感細胞中的實驗表明氨基酸的缺乏使得S6K1和4E-BP1快速的去磷酸化，然而在雷帕霉素敏感的細胞中氨基酸的添加可以逆轉(zhuǎn)這種反應[15]。與最初的發(fā)現(xiàn)相反的是，目前的研究表明氨基酸信號轉(zhuǎn)導為mTOR Complex1并不需要TSC1-TSC2復合物[16]。的確，這些研究表明在TSC1或者TSC2水平減弱或者完全消失的細胞中S6K1的磷酸化完全可以耐受胰島素。相反，S6K1的活性仍然被氨基酸調(diào)控在TSC1-TSC2復合物缺失抑制信號。而且，雖然氨基酸誘導mTOR Complex1信號需要Rheb，但是從TSC1或者TSC2不足的細胞中去掉氨基酸對Rheb-GTP水平?jīng)]有影響；然而這種處理使S6K1快速去磷酸化[12]。因而，內(nèi)源性的Rheb-GTP對于這一反應是必需的，但是對于氨基酸缺乏的情況下激活mTOR Complex1是不足的。這些結(jié)果表明氨基酸的輸入對于mTOR Complex1可能存在一種相似的信號通路。90年代后期的研究表明氨基酸激活mTOR Complex1到S6K1和4E-BP1是woman青霉素敏感的，雖然氨基酸不能誘導PKB/Akt的激活。的確，小干擾RNA介導class I PI3K的缺失幾乎完全阻止胰島素誘導的PKB/Akt S473和S6K1 T389的磷酸化，但是對氨基酸誘導S6K1的激活沒有影響。因而，woman青霉素敏感靶向的氨基酸誘導的mTOR Complex1信號可能存在一種不同于class I PI3K-PKB/Akt信號路徑的通路。許多藥理學、生物化學及分子方法證明class Ⅲ PI3K hVps34的活性受氨基酸有效性的調(diào)控，且通過mTOR Complex1信號通路被氨基酸刺激活化S6K1需要hVps34[12-13]。

2.2能量對mTOR Complex1-S6K1信號通路的激活作用 通過細胞能量來調(diào)控mTOR Complex1信號的機制與生長因子和營養(yǎng)素是不同的。大量的研究依賴于急性或者慢性的能量缺乏對mTOR Complex1信號通路的作用。研究表明mTOR Complex1-S6K1信號通路對細胞內(nèi)的ATP水平的微量改變是敏感的，并不依賴于氨基酸水平的改變。有研究表明用線粒體復合物1抑制劑魚藤酮急性處理結(jié)果使細胞內(nèi)的ATP水平微弱的減少并且活化胰島素誘導的S6K1。與ATP的穩(wěn)態(tài)水平直接調(diào)控mTOR信號的能力相一致，ATP對mTOR的Km值與細胞內(nèi)的ATP濃聚物是相似的。然而，隨后的研究表明用氧化磷酸化呼吸抑制劑寡霉素處理急性能量缺失，從而抑制mTOR Complex1信號介導的AMP激酶(AMPK)磷酸化和TSC2活化。與這一發(fā)現(xiàn)相一致的是，AMPK變種激活后能夠抑制mTOR信號通路。然而，Smith[16]目前的報道用能量耗竭劑2-脫氧葡萄糖急性處理TSC2缺失細胞，導致S6K1失活。dTSC2是TSC2的果蠅屬同系物，能夠在能量缺失的果蠅屬KC167細胞中活化，但位點浮動較大。因此，急性能量缺失很有可能與一個不依賴AMPK路徑的低氧誘導基因(REDD1)有關。REDD1受慢性能量缺失誘導，依次使mTOR Complex1-S6K1信號通路受到抑制，支持這一觀點的是REDD1的缺失不會改變AMPK的活性或者它磷酸化TSC2的能力。然而，它可以去除慢性能量缺失對mTOR Complex1-S6K1信號通路的抑制作用[17]。有趣的是，目前研究糖皮質(zhì)激素類對mTOR Complex1信號到REDD1的誘導有負性影響。REDD1介導的能量缺失對mTOR Complex1-S6K1信號通路機制是尚不清楚的，但TSC2在該通路中有一定的調(diào)控作用[17]?？傊?，這些數(shù)據(jù)表明能量水平影響mTOR Complex1信號是一個復雜過程還需要進一步研究。

2.3生長因子及激素對mTOR Complex1-S6K1信號通路的作用 生長因子和激素類，比如胰島素，通過PI3K信號途徑來調(diào)控mTOR Complex1[6]。PI3K經(jīng)典路徑的激活，從而啟動許多信號通路的級聯(lián)反應，引起細胞的生長和增殖，這種現(xiàn)象在多細胞動物中是普遍存在的[8]。胰島素與它同源的酪氨酸激酶受體相互作用結(jié)果使分子間的受體磷酸化，為IRS1和IRS2募集到細胞膜上形成了一個停泊位點[6]。相應的，IRS1/IRS2中特殊的磷酸化殘基充當著細胞膜上PI3K關鍵信號分子的識別基序——第二信使磷脂酰肌醇[PtdIns(3,4,5)P3][6]。PtdIns(3,4,5)P3與PH區(qū)域的靶蛋白結(jié)合，包括PKB/Akt和磷酸肌醇依賴激酶1(PDK1)。PtdIns(3,4,5)P3與PH區(qū)域的PKB/Akt結(jié)合可以補充細胞膜上的這種激酶，但PtdIns(3,4,5)P3與PH區(qū)域的PDK1結(jié)合似乎不需要S6K1 T299的磷酸化。細胞膜上PtdIns(3,4,5)P3的活化是通過PDK1 T308和mTORComplex2 S473位點的磷酸化進行調(diào)控[9]。信號通路中的反饋調(diào)節(jié)主要因子為脂磷酸酶，磷酸酶和張力蛋白同系物(PTEN)。PTEN使PtdIns(3,4,5)P3轉(zhuǎn)變?yōu)镻tdIns(4,5)P2， PKB/Akt在細胞膜上的數(shù)量減少。激活PKB/Akt的下游底物又包括糖原合酶激酶3(GSK3)、叉頭盒、轉(zhuǎn)錄因子和TSC2。TSC2又是一種腫瘤抑制基因。TSC2的作用在于自身磷酸化使TSC1-TSC2復合物的分離和降解，從抑制的GTP酶活化蛋白，TSC2活性中釋放出小GTP酶Rheb，推動Rheb到GTP得活化狀態(tài)。GTP結(jié)合Rheb能夠激活mTOR Complex1信號通路的下游底物，比如S6K1，通過直接改變mTOR Complex1活性或者靶向惟一的細胞間隙[6]。

2.4mTOR Complex1-S6K1信號通路與糖尿病胰島素抵抗 胰島素抵抗是2型糖尿病發(fā)生、發(fā)展的關鍵，表現(xiàn)為胰島素功能下降和高胰島素血癥。胰島β細胞分泌的胰島素是維持體內(nèi)糖穩(wěn)定的重要物質(zhì)之一，胰島素分泌相對或者絕對不足在糖尿病發(fā)生發(fā)展及糖尿病并發(fā)癥的進展中起關鍵性作用。

目前認為胰島素信號傳導通路及胰島素抵抗的機制主要是通過PI3K-Akt-TSC1/2-mTORC1-S6K1途徑來完成的。胰島素受體(insulin receptor，IR)/胰島素樣生長因子受體(insulin-like growth factor，IGFR)為酪氨酸激酶受體，分別與Insulin或IGF結(jié)合后引起胞內(nèi)酪氨酸殘基磷酸化。IR或IGFR酪氨酸殘基磷酸化后與胰島素受體底物(insulin receptor substrates，IRSI-4)上的磷酸化酪氨酸結(jié)合區(qū)(phosphotyrosine binding domain，PTB)結(jié)合，IRs蛋白N端由P H(pleckstrin homology)區(qū)和PTB區(qū)構(gòu)成，C端含多個酪氨酸和絲氨酸/蘇氨酸(serine/threonine，Ser/ Thr)磷酸化位點。IRS通過其磷酸化酪氨酸共同基序(YxxM) 趨化結(jié)合并激活磷酯酰肌醇3激酶(PI3K),從而通過PI3K．Akt-TSC1/2-mTOR信號通路激活mTOR下游信號分子S6K1和4E-BP1，再通過促進細胞內(nèi)某些重要蛋白質(zhì)的合成調(diào)節(jié)細胞的生長分化。

有研究表明，胰島素受體底物1(IRS1)的絲氨酸磷酸化是引起胰島素抵抗的主要機制之一。mTOR在接受Insulin/IGF和營養(yǎng)信號(如氨基酸、葡萄糖)后通過PI3K-Akt-TSC1/2-mTOR信號通路被激活，激活的mTOR在通過其下游底物S6K1引起IRS1絲氨酸殘基磷酸化，反饋性調(diào)節(jié)胰島素信號下傳。體外研究發(fā)現(xiàn)，氨基酸可通過激活mTOR/S6K途徑反饋性抑制胰島素誘導的PI3K活化，并且證實這種抑制作用與IRS1ser/thr磷酸化有關[18]。有研究發(fā)現(xiàn)在KKAy、ob/ob2型糖尿病小鼠模型中S6K1的活性都是增高的，脂肪組織中IRS1 ser307和ser636/639磷酸化增加，并且在敲除S6K1基因的高脂飼養(yǎng)小鼠中仍然保持胰島素的敏感性，而IRS1 ser307和ser636/639下降。

2.5mTOR Complex1-S6K1信號通路與糖尿病引起的微血管病變的作用 糖尿病的血管病變從毛細血管到大中動脈均有不同程度的病變。毛細血管和細小動脈的內(nèi)皮細胞增生，基底膜明顯增厚，血管壁增厚、玻璃樣變性，血栓形成導致血液供應障礙，進而引起相應組織或器官缺血和功能障礙，在腎臟和視網(wǎng)膜中表現(xiàn)尤為突出。

相關研究表明mTOR信號通路在糖尿病腎病發(fā)生發(fā)展的機制中起著重要作用，大量動物實驗已經(jīng)證明，雷帕霉素通過抑制mTOR信號通路使慢性腎臟疾病引起的間質(zhì)性炎癥，腎臟纖維化及腎功能不全得以改善。在糖尿病腎病中病理改變主要表現(xiàn)為腎血管及腎小球廣泛增生、腎小球肥大引起腎臟灌注不足，而在其病理生理改變中mTOR信號通路起著關鍵性作用，主要表現(xiàn)為增加了腎小球基底膜的蛋白合成進而引起基底膜變薄和腎小球內(nèi)膜基質(zhì)的增生。而高血糖作為影響因素通過引起PI3K、Akt的活化及AMPK的抑制來激活mTOR信號通路[19]。

糖尿病視網(wǎng)膜病變的主要病理變化是血管平滑肌細胞的分化異常，早期表現(xiàn)為微小動脈瘤和視網(wǎng)膜小靜脈擴張。血管平滑肌細胞在成人體內(nèi)主要有分化、休眠、收縮3種形態(tài)，損傷可以誘導這3種形態(tài)的相互轉(zhuǎn)化，也可以使血管平滑肌細胞基質(zhì)的蛋白合成水平上調(diào)。mTOR信號通路在血管平滑肌細胞基因表達的轉(zhuǎn)錄調(diào)控中起重要作用，其下游效應器S6K1的過度表達則抑制雷帕霉素誘導的蛋白收縮和p21cip表達。相關動物實驗及研究也證明了S6K1對抗血管平滑肌細胞的分化起著重要作用。

3 展 望

mTOR Complex1-S6K1在細胞增殖、生長、分化以及糖尿病的發(fā)生、發(fā)展過程中發(fā)揮著關鍵性的作用，在研究中發(fā)現(xiàn)還有很多對該信號通道的影響因素的作用機制尚不明確，比如細胞膜的電活動及蛋白通路對mTOR Complex1-S6K1的影響，以及VEGF在糖尿病創(chuàng)傷模型中與mTOR的作用機制等。學者還應對mTOR Complex1-S6K1進行深入的研究，讓臨床工作者全面了解mTOR Complex1-S6K1的機制，為糖尿病的預防、治療以及并發(fā)癥的研究和治療提供理論依據(jù)，為今后的臨床治療提供新的手段。

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