mTOR信号通路调节细胞能量代谢的机制-肖昊

中国科学:生命科学2015年第45卷第11期:1124~1131SCIENTIASINICAVitae引用格式:肖昊,谭碧娥,吴苗苗,等.mTOR信号通路调节细胞能量代谢的机制.中国科学:生命科学,2015,45:1124–1131XiaoH,WuMM,ShaoFY,etal.RegulatorymechanismofmTORsignalingpathwayoncellenergymetabolism.SCIENTIASINICAVitae,2015,45:1124–1131,doi:10.1360/N052015-00132《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS评述mTOR信号通路调节细胞能量代谢的机制肖昊①②,谭碧娥①④*,吴苗苗③,邵方元①,印遇龙①*①中国科学院亚热带农业生态研究所,中国科学院亚热带农业生态过程重点实验室,湖南省畜禽健康养殖工程技术中心,农业部中南动物营养与饲料科学观测实验站,长沙410125;②中国科学院大学,北京100049;③DiagnosticMedicine/Pathobiology,CollegeofVeterinary,ManhattanKS66506,USA;④湖南植物功能成分利用协同创新中心,长沙410000*联系人,E-mail:[e-mail];[e-mail]收稿日期:2015-07-17;接受日期:2015-07-31;网络版发表日期:2015-10-29国家自然科学基金(批准号:31330075,31372326,31301989)和国家基础研究发展计划(2013CB127302)资助doi:10.1360/N052015-00132摘要细胞正常代谢过程需要持续的能量供给,而线粒体是细胞内氧化磷酸化和合成ATP的主要场所.mTOR作为细胞营养感应和能量调节因子,调控细胞的新陈代谢以及细胞周期进程和细胞生长.本文综述了mTOR对细胞线粒体功能的调控机制,mTOR与AMPK在细胞内交互调控能量平衡以及mTOR整合氨基酸和能量感应通路,以期为营养学或药理学中对癌症以及肥胖和糖尿病等代谢性疾病的干预和治疗提供指导.关键词mTOR信号通路线粒体能量代谢AMPK氨基酸线粒体是细胞中产生能量的主要细胞器,是真核生物进行有氧代谢的重要部位,是糖类、脂肪和氨基酸最终氧化释放能量的场所[1].哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammaliantargetofrapamycin,mTOR)包括mTOR复合物1(mTORcomplex1,mTORC1)和mTOR复合物2(mTORcomplex2,mTORC2),是细胞营养感应和生长的中心调控子,通过调控mRNA的翻译调节很多生理过程,包括自噬作用、核糖体生物合成、细胞骨架的重组和代谢相关基因的表达等[2,3].近年来研究表明,mTOR也是细胞能量感应分子,能感知能量状态,并调控其下游的信号通路,从而调节细胞的新陈代谢以及细胞周期进程和细胞生长,因此成为肥胖和2型糖尿病等代谢性疾病治疗的新靶点.1mTORC1对线粒体功能的调节1.1mTORC1通过调控RNA翻译控制线粒体活性和生物合成翻译是细胞中最耗能的过程之一,平均消耗大约总三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate,ATP)的20%~30%[4].而线粒体是ATP的主要生产者,维持着机体的能量平衡[5].癌症等疾病都会引起mRNA翻译和细胞能量代谢机制的失调.抑制mTOR能降低细胞内ATP水平,造成线粒体功能损伤,使糖酵解功能紊乱,目前认为mTOR被抑制后通过从分子水平上优先抑制细胞内编码必需核编码蛋白(包括复合物V和线粒体转录因子(mitochondrialtranscriptionfactorA,TFAM))mRNA的翻译来调控上述代谢过中国科学:生命科学2015年第45卷第11期1125程[6].研究表明,mTORC1能刺激mRNA的翻译和其他合成代谢过程,从而调控线粒体的活性及其生物发生[7].mTORC1能磷酸化其下游的靶蛋白包括真核翻译起始因子4E结合蛋白(eukaryotictranslationinitiationfactor4E-bindingproteins,4E-BPs)和核糖体蛋白S6激酶(ribosomalproteinS6kinases,S6Ks).磷酸化的4E-BPs与eIF4E分离,分离出的eIF4E与eIF4G结合,在mRNA5′末端装配成eIF4F翻译起始复合物.Morita等人[6]研究表明,4E-BPs是mTORC1影响线粒体生物合成和功能主要的调节因子.在4E-BP1/2缺乏的细胞中,抑制TOR能够增强对mRNA翻译抑制.抑制TOR降低了正常细胞中ATP5O和TFAM的蛋白水平,也减少了葡萄糖生成丙酮酸和乳酸过程中碳的流出;而在4E-BP1/2缺乏的细胞中,ATP5O(ATPsynthase,H+transporting,mitochondrialF1complex,Osubunit)和TFAM的蛋白水平未因TOR的抑制而降低,且减弱了由于TOR的抑制对线粒体DNA含量、线粒体质量和细胞内ATP水平的影响[6].mTOR下游的另一个靶蛋白S6Ks,其磷酸化涉及翻译机制的组件和关联因子,如核糖体蛋白S6,eIF4B和PDCD4(programmedcelldeathprotein4)[8,9].Morita等人[6]发现,敲除S6K减弱了由于TOR的抑制对柠檬酸盐产生的抑制作用,从而影响了脂肪酸合成.mTORC1通过S6K1激活SREBP1(sterolregulatoryelement-bindingprotein1),其中SREBP1能提高细胞中的脂质合成[10].在肥胖和糖尿病小鼠(Musmusculus)模型中,mTOR的过度激活导致脂合成代谢的增强.S6Ks是mTOR影响细胞脂质生成的主调控因子[10],但不是mTORC1影响线粒体生物合成和其活性的主要调控因子(图1)[6].除了通过4EBP依赖的翻译调控来抑制线粒体相关mRNAs的表达外,mTORC1还能通过抑制自噬来抑制线粒体的降解,揭示了翻译和自噬程序的协调作用.1.2mTORC1调控线粒体基因转录mTORC1活性对线粒体生物合成相关基因转录的激活非常重要,研究证明mTORC1可通过刺激PGC-1(peroxisomeproliferator-activatedreceptorcoactivator-1),SREBP1/2和HIF-1(hypoxiainduciblefactor-1)等转录调控因子活性而控制能量代谢(图1)[10~12].但是,Morita等人[6]研究发现,抑制mTOR12h后并未发现PGC-1和HIF-1损害线粒体功能,同样线粒体相关基因的mRNA稳态水平也未图1mTORC1对线粒体功能的调节mTORC1通过调控4EBP1调节mRNA翻译从而控制线粒体的活性及其生物发生;mTORC1通过调控S6K1或SREBP1/2调节细胞脂质生成;mTORC1磷酸化Bcl-xl,刺激VDAC1的渗透性使TCA的底物进入线粒体,调控线粒体活性;mTORC1通过HIF1介导的糖酵解基因转录提高糖酵解通量;mTORC1通过直接调控YY1-PGC-1的活性来控制线粒体基因的表达见明显改变,提示mTORC1依赖的线粒体相关mRNA翻译变化先于转录水平调控.在成肌细胞中,至少抑制mTORC116h后,PGC-1依赖的线粒体相关基因mRNA翻译才发生变化[13].而雷帕霉素长时间抑制肌肉细胞的mTORC1后发现,PGC-1介导的基因转录下调,同时线粒体DNA含量和耗氧量也降低[11,14].PGC-1通过与相应的转录因子相互作用来调控线粒体的功能,其中包括雌激素相关受体(estrogen-relatedreceptor,ERR-)和核内呼吸因子(nuclearrespiratoryfactors,NRFs)[15].Chaveroux等人[16]证实mTOR直接控制ERR-靶基因的转录,而ERR-靶基因包括三羧酸(tricarboxylicacid,TCA)循环和脂质合成的能量代谢相关基因.Cunningham等人[11]也发现,雷帕霉素抑制mTOR后,编码PGC-1,ERR-和NRF-1的mRNA的表达量降低,同时也下调了PGC-1的线粒体基因靶标的表达量,其中包括氧化磷酸化、TCA和解偶联呼吸代谢的相关基因;但是,mTORC1并没有直接调控ERR-1等转录因子的活性.转录因子YY1(yin-yang1)作为mTOR和PGC-1共有靶标,抑制YY1表达导致线粒体基因表达和呼吸代谢的显著降低[11].mTORC1是通过直接调控YY1-PGC-1的活性来控制线粒体基因的表达(图1).YY1通过与Raptor蛋白结合,磷酸化mTORC1,以此肖昊等:mTOR信号通路调节细胞能量代谢的机制1126提高YY1和PGC-1的相互作用刺激线粒体基因的表达.mTOR和Raptor与YY1相互作用,抑制mTOR导致YY1不能与PGC-1共同作用被共激活[11].在肌肉组织中过量表达PGC-1会提高氧化磷酸化,同时提高其胰岛素的敏感性[17],而过量表达YY1提高其线粒体基因的表达量[11],这进一步验证了PGC-1/YY1对线粒体功能的重要性.然而,mTOR通过PGC-1/YY1影响线粒体生物合成具有组织特异性,而且涉及更复杂的相互作用[18].小鼠成熟脂肪细胞敲除Raptor,导致脂肪细胞大小和数量减少,但是对其他组织作用不显著[19].在体外培养的细胞系中,mTORC1的靶基因S6K1与PGC-1/YY1诱导的线粒体基因转录无关[20];而在小鼠的研究中,敲除全身的S6K1导致了骨骼肌和脂肪细胞线粒体含量以及PGC-1和线粒体基因(UCP1(uncouplingprotein1),UCP3)表达的显著增加[21].1.3mTORC1通过磷酸化线粒体蛋白调控线粒体活性mTOR为细胞内氧化磷酸化过程所必需,可以直接调控线粒体蛋白从而影响线粒体的功能.Schieke等人[20]在Jurkat细胞中发现,mTORC1的活性与线粒体膜电位、最大氧化能力和细胞内的ATP含量成正相关.通过下调TSC2(tuberoussclerosiscomplex2),S6K,Raptor和Rictor的表达量后发现,只有下调Raptor后细胞的耗氧量才降低,所以认为mTOR是通过mTOR-Raptor复合体直接调控线粒体代谢的.雷帕霉素抑制mTORC112h后,细胞膜电位和最大氧化能力降低,但对线粒体质量没有显著影响;处理后细胞中很多线粒体蛋白的磷酸化水平是降低的,但至今并不清楚它们的功能[20].Ram-anathan和Schreiber[22]利用雷帕霉素处理更短时间排除转录水平的影响,发现细胞线粒体的呼吸代谢和耗氧量显著降低,同时诱导氧化磷酸化转入糖酵解.这可能是通过mTOR与电压依赖阴离子选择性通道1(voltage-dependentanion-selectivechannel,VDAC1)和抗凋亡线粒体转膜蛋白B细胞淋巴瘤-xl(B-celllymphoma-extralarge,Bcl-xl)的相互作用来调控的.VDAC1位于线粒体外膜被认为是基质转运到线粒体的关键调控子.mTOR磷酸化Bcl-xl的丝氨酸62位点,磷酸化的Bcl-xl能刺激VDAC1的渗透性使TCA的底物进入线粒体.雷帕霉素处理导致mTOR从Bcl-xl解离,抑制Bcl蛋白产生了与雷帕霉素同样的效果,导致线粒体呼吸代谢的迅速降低,而过表达Bcl-xl蛋白降低了雷帕霉素诱导的呼吸代谢抑制的敏感性(图1)[22].1.4mTORC1参与糖酵解通量和线粒体呼吸平衡mTORC1通过调控碳水化合物的摄入和利用来影响线粒体功能以满足细胞生长.通过PI3K/Akt(