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哺乳动物雷帕霉素靶蛋白生物学作用及机制

2023-05-03 来源:欧得旅游网
动物营养学报2018,30(2):484 490 Chinese Journal ofAnimal Nutrition doi:10.3969/j.issn.1006-267x.2018.02.011 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白生物学作用及机制 袁登越 吴源冰。林方军。覃川杰 李志琼 (1.内江师范学院生命科学学院,长江上游鱼类资源保护与利用 ̄1)ll省重点实验室,内江641100; 2.四川农业大学动物科技学院,成都611130) 摘 要:哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一种高度保守的蛋白激酶,在动物的摄食、脂质 和蛋白质合成、细胞自噬和衰老等方面都发挥了重要的生理作用,已成为当前生物学研究的一 大热点。本文就mTOR的结构、组织分布和生理功能及作用机制进行了综述,以期为研究 mTOR信号通路的作用机制提供一定的参考。 关键词:哺乳动物雷帕霉素靶蛋白;摄食调控;脂质合成;蛋白质合成;作用机制 中图分类号:S852.2 文献标识码:A 文章编号:1006—267X(2018)02—0484—07 行在研究过程中提供一定的参考。 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是雷帕霉素在动物体内的一 种靶蛋白,而雷帕霉素是一种吸水链霉菌产出的 大环内酯类化合物。2O世纪70年代,V6zina等¨1 在智利的复活节岛的土壤中分离出这种细菌并报 道了雷帕霉素。1991年Heitman等筛选出抗雷帕 霉素的啤酒酵母突变株,对比发现了3个与此抗 性有关的基因,其中2个基因以其发现地建筑 Spalentor命名为雷帕霉素靶蛋白l(TOR1)和雷帕 1 mT0R结构 1.1 mTOR的基因结构 目前,已在315种真核生物中鉴定出mTOR 基因。一些代表种,如酵母mTOR基因长 7 413 bp,编码2 470个氨基酸残基长度的蛋白 霉素靶蛋白2(TOR2) J。1994年,Sabatini首次 在哺乳动物——大鼠中发现了与雷帕霉素结合的 蛋白质,而编码该蛋白质的基因与酵母TOR1和 TOR2同源,该作者就将其正式命名为“mammali- an target of rapamycin(mTOR)”,即哺乳动物雷帕 霉素靶蛋白 J。除哺乳动物外,mTOR在其他物 种中也广泛分布,如拟南芥、果蝇和鲤鱼等 一 。 质;其旁系同源基因mTOR2长7 425 bp,编码2 474个氨基酸残基长度的蛋白质。人类roTOR基 因位于l号染色体短臂(1p36.2),其开放阅读框 为7 650 bp,编码2 549个氨基酸,蛋白质分子质 量为288.95 ku。大鼠rnTOR基因位于5号染色体 长臂(5q36),开放阅读框为8 554 bp,编码2 549 个氨基酸,蛋白质分子质量为288.85 ku。由此可 见,mTOR基因结构十分保守,各物种的mTOR基 因片段大小以及编码mTOR的氨基酸片段大小 近似。 1.2 mTOR的蛋白质结构 后来研究证实,mTOR是一种结构与功能高度保 守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,可通过整合来自上 游的信号因子进而发挥生物学功能。由于广泛参 与机体的生物学功能,mTOR现已成为生物科学 相关领域的研究热点。为此,本文着重阐述了 mTOR是一种非典型丝氨酸/苏氨酸蛋白激 酶,属于磷脂酰肌醇激酶相关激酶(phosphatidyli— nositol kinase—related kinase,PIKK)家族。mTOR mTOR的主要生物学作用及其机制,以期为各同 收稿日期:2017—07-18 由多个结构域组成,从N端到c端依次是20个 基金项目:国家自然科学青年基金(31402305);内江师范学院校级科研项目(P016037) 作者简介:袁登越(1987一),女,云南大理人,助教,硕士研究生,从事分子营养研究。E—mail:yuandengyue@163.com 通信作者:李志琼,教授,博士生导师,E-mail:lizhiqiong454@163.corn 袁 越等: ̄ifi:TL动物西帕霉素靶蛋白生物学作用技机制 HEAT 域、FAT域、FRB域、激酶域(kinase do— main,KD)f1】C术端FAT域。HEAT域是在一些 2 mToR的组织分布 mTOR广泛分布于动物的中枢神经系统 外 fll1Jj包顷 I I顷I}】发脱的 螺旋结卡勾串联的模体, 址,1 种细胞顷货 质 五jI顿赁 (huntingtin)、延 K f人I厂:;(elongation facto r。3)、货白磷酸酶2A 周组织。Cota等 利用免疫组织化学的 法研 究报道了roTOR住大鼠嘀中的分 情况,绀 {JI!_ (PP2A)、IV.1 ,和霄帕键素靶蛋l'l(TOR)]的简 示mTOR广泛分布在大鼠各脑 ,在下匠 j 域 内的室旁核以及弓状核还发现了大量磷酸化( 氨酸2448位点)的mTOR,而下丘脑外侧 域磷 酸化的mTOR较少。检测山羊各组织中,7ITOR 陔 域 j货l 1质问卡}j i:作用及胞内转运相 火“ FAT域足·段P1KK家族共有的激酶域,由 PIKK家族的3个篮 I质(FRAP、ATM卡【1 TR— RAP)简 t 构成,‘ mTOR的活性有关。FRB域为 FKSI)f)结合 I,f甫l9『1霉索结合域(FKBP12一rapam— ycin binding domain)的简0 ,它为mTOR与雷帕 索提供 合的化点( 1) 。 KDN端 = :、 , 图1 mTOR的蛋白质结构 Fig.I Tile protein structure of inTOR mTOR f 还 4个磷酸化位点,分别是丝氨 酸1261、 :氰酸 46、丝氨酸2448和丝氮酸2481 f 点,这jJ 磷般化化 - inTOR的功能密切十H关。 HEAT域的 氰酸1261 点受到胰岛素信号作用  I磷敝化,丝铽酸1261位点的磷酸化能进一步促 进roTOR卜游核糖体 白s6激酶(ribosomal pro— tein sf】kinase,S6K)和真核翻译起始冈_,4E一结合 蛋I l l(eukm yotic translation initiation factor 4E— binding protein l,4E—BP1)发生磷酸化;苏氨酸 2446化点受 养物质的调控,通过腺苷酸激酶(a— denosine mon0phosphate kinase,AMPK)途径完成 磷酸化作』}J. 氰酸2448位点受S6K磷酸化作 }}】; 氨酸248l址 个埘雷帕霉素敏感且具有广1 发磷酸化的化点… ’ . mRNA水平时发现,roTOR mRNA存脯、睾儿、脾 脏、肾脏和 C, ̄ii中含量较高,而存肝脏和肺脏 I t含 较少 。Makky等 片J原化杂交技术研究埘 比了斑马伍mTOR的时空分布情『兄,结果{iIj.,J: 鱼的脑中最先表达mTOR mRNA,随后在肠道Ill 检测到m mRNA的表达 Jiang等 对比r 鲤鱼mTOR的时空分布情况,结果 示鲤ffL的心 脏、肌肉、头肾、脾脏、鳃和肠道均有mTOR mRNA 表达,但表达 存在着时空差异 3 mTOR的生物学功能 3.1调节摄食 mTOR不具有直接凋控摄食的作用,』n 址受 机体能世水、F等因素作用,凋控处于其下游的 欲渊节【大j子的丧达,进而参 摄食调控: 仃研 究表明,mTOR与中楸食欲调节冈子神 肽Y (neuropeptide Y,NPY)、刺鼠卡H关蛋白(agouti一1~e lated protein,AgRP)、黑皮素原(pr∞piomelan0c0rI_ in,POMC)干¨可 因一安非他明捌节转录肽(CO— caine—and amphetamine—regulated transcript,CART) 以及外周食欲调节凶子瘦素(1eptin)、胃饥饿索 (ghrelin)和nesfatin一1(一种饱食分子蛋白)卡¨ 火 联,在食欲调节If1发挥重要作用 NPY。。’、 AgRPll“、POMC 、CART” 。神经核团均 J 下 脑这一摄食调节中枢,发挥着增食欲或抑制 食欲的作用 leptin 。、ghrelin ’和nesfatin. 是存在于外 组织调节食欲的【大J子,也具仃州 食欲的作用。 Cota等 的研究首次证实mTOR对动物摄 食具有调节作用。中枢系统mTOR信号通路 I『过 感应细胞外营养物质和激素水平涮控大鼠搬食 、 大鼠进食后弓状核roTOR及下游靶点S6Kl磷酸 化水平增加;当禁食48 h后,mTOR和S6Kl的磷 酸化水平降低,而大鼠禁食后冉喂食,使其磷酸化 动物营养学报 3O卷 水平再次增加,从而进一步明确了下丘脑mTOR 在机体能量感知方面的重要作用。食物中的蛋白 质含量也能影响mTOR信号通路的表达,投喂高 蛋白质的饲粮能促使长白猪mTOR的磷酸化 。 此外,mTOR还可以调节其他食欲肽的表达量。 研究发现,给大鼠脑室注射leptin后,下丘脑 mTOR的磷酸化水平增加,而注射mTOR的抑制 剂雷帕霉素后,leptin的生理效应明显减弱。此后 的研究表明,mTOR对诸多食欲因子都具有相似 的调节方式。mTOR信号通路介导了外周的ghre. 1in在中枢神经系统中的增食欲作用。Martins等 发现,脑室注射ghrelin 2 h后的大鼠摄食量显著增 加,同时mTOR和¥6K1磷酸化水平也显著增 加 。下丘脑中的mTOR在转导甲状腺激素信 号的摄食调控功能方面也具有相似的作用机 制 ,即受机体能量水平等因素作用,调控其下游 的食欲调节因子的表达继而参与摄食调控。甲状 腺激素是响应并调节机体能量状态重要因子,大 鼠下丘脑弓状核注射甲状腺激素后增食欲因子 Ⅳ尸y和AgRP基因的表达量显著增加,厌食因子 POMC基因的表达量显著减少,大鼠摄食量增加。 与此同时,下丘脑mTOR及其下游因子的磷酸化 水平显著增加,而肝脏中mTOR及其下游因子的 磷酸化水平显著降低。相应地,脑室注射雷帕霉 素阻断mTOR信号后,增食欲因子的基因表达量 不再因甲状腺激素增加而升高,大鼠体重也随之 下降。mTOR在摄食调控过程中的这种信号转导 作用还见于其他食欲因子的研究 。 3.2调节脂质合成 mTOR参与了脂质合成、脂质B氧化和脂质 分解等脂质代谢过程。在脂质合成中,脂肪酸及 甘油三酯的合成是关键环节,其问主要包括脂质 合成酶以及脂质合成酶转录调控因子,如乙酰辅 酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)、脂肪 酸合成酶(fatty acid synthase,FAS)、硬脂酰辅酶A 去饱和酶(stearoyl—coenzyme A desaturase,SCD)、 lipin l、固醇调节元件结合蛋白(sterol regulatory element binding protein,SREBP)和过氧化物酶体 增殖物激活受体一 (peroxisome proliferator activa— ted receptor -,/,PPAR一 )等。此外,脂肪氧化分解 相关酶的活性与脂质的合成效率紧密相关,如三 酰甘油脂肪酶(adipose triglyceride lipase,ATGL)、 激素敏感酯酶(hormone—sensitive triglyceride li— pase,HSL)和单酰甘油脂肪酶(monoacylglycerol lipase,MGL)等。受上游营养因子或胰岛素等信 号激发,mTOR能增加脂质合成最为关键的转录 调控因子——躲船P—lc基因的表达 l,继而使机 体脂质合成作用加快。2008年首次报道了mTOR 具有调节SREBP—lc表达,影响脂质合成的作用。 用4一羟基他莫昔芬激活蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/AKT)处理人类视网膜色素上皮细 胞4 h后,细胞核内的SREBP—lc水平显著升高。 由于核内SREBP—lc能增加脂质合成相关酶基因 表达,脂肪酸合成酶(fatty acid synthetase,FASN) mRNA水平也在4 h后显著增加;当用雷帕霉素阻 断mTOR的信号传递后,核内SREBP—lc不再因 AKT的激活而增加,FASN和ATP一柠檬酸裂合酶 (ATP citrate lyase,ACLY)的mRNA水平也因此 受阻 。 。 mTOR对SREBP—lc的调节是多方向的,主要 是mRNA转录和蛋白质加工。在SREBP—lc的脂 质合成作用研究中,进食或胰岛素刺激均能增加 动物肝脏细胞SREBP—lc基因的表达量 “J Owen等 发现大鼠肝细胞在100 nmo ̄L胰岛素 浸润15 min后,细胞核内SREBP—lc水平达到峰 值并持续至6 h;磷脂酰肌醇3一激酶(phos— phoinositide 3-kinase,PI3K)、mTOR和S6K的拈抗 剂:渥曼青霉素、雷帕霉素和LYS6K2均可阻断胰 岛素对细胞核内SREBP—lc的作用,表明胰岛素一 PI3K.mTOR.S6K通路调节SREBP—lc的蛋白质加 工;然而雷帕霉素预处理30 rain抑制胰岛素浸润 对SREBP.1c有升高作用,LYS6K2未能降低 SREBP—lc mRNA表达量。这些研究结果表明, mTOR对SREBP—lc的mRNA转录与SREBP—lc 的蛋白质加工的调节通路不尽相同,转录和加 J二 的具体调控途径仍不清楚。近来有研究表明, mTOR调控了SREBP—lc由内质网向高尔基体的 转运过程。Hart等 。。研究发现,抑制mTOR会导 致SREBP—lc向高尔基体的转运受阻。环腺苷酸 (cyclic adenosine monophosphate,cAMP)响应元件 结合蛋白的共激活因子——转录激活因子2 (CREB regulated transcription coactivator 2, CRTC2)基因突变会引发小鼠肝细胞中甘油三酯 增多,甘油三酯合成相关基因mRNA表达量升高, 高脂饲喂能进一步增强这种作用;与此同时,细胞 核外未成熟的SREBP lc没有变化,SREBP—lc 2期 袁登越等:哺乳动物雷帕霉素靶蛋白生物学作用及机制 mRNA表达量未出现显著差异,而细胞核内 SREBP.1c增多,深入研究表明,mTOR在这一过 程中发挥重要作用;mTOR受机体能量水平升高 而激活,使得CRTC2的136位氨基酸残基发生磷 酸化,导致CRTC2与运输蛋白质COP II的亚基 上皮细胞的蛋白质合成增强,蛋白质分解减弱 。 以上研究结果表明,亮氨酸等氨基酸激活了 mTOR的信号通路,4E.BP1的磷酸化水平也随着 增加,使得蛋白质合成相关的基因表达量增加,最 终使得机体的蛋白质合成增多。 3.4调节细胞自噬 Sec31分离,分离的Sec31得以与Sec23结合,从 而将内质网上未成熟的SREBP—lc运输至高尔 基体。 3.3调节蛋白质合成 mTOR通过磷酸化下游的4E—BP1和S6K,从 而刺激相关基因的转录水平提高,mTOR促进蛋 白质合成的作用对于细胞的生长和增殖有重要作 用。。 。4E.BP1是与真核翻译起始因子4E(eu— karyotic translation iniitation factor 4E,elF4E)结合 的蛋白,而elF4E是真核翻译起始因子4F(euk ̄y— otic translation initiation Ncmr 4F,eIF4F)翻译起始 复合物的帽子结合亚单位。真核细胞mRNA的5 端7一甲基鸟苷“帽子”是调控其转录效率、剪切形 式和核外运输的结构,几乎所有真核细胞都需要 eIF4F将核糖体导向mRNA的这种帽子结构,从而 开启mRNA的翻译过程,而4E—BP1通过与elF4E 结合抑制翻译的起始。当mTOR信号因上游一些 刺激而激活以后,4E—BP1作为其下游因子发生磷 酸化,致使4E.BP1构象改变并与elF4E脱离,mR— NA翻译效率提升 跖]。已知一些支链氨基酸能 激活mTOR信号 。在奶牛上的研究还发现,L一 亮氨酸和 一异亮氨酸都能够增强mTOR和S6K1 的磷酸化水平及促进乳腺细胞中的蛋白质合 成 。新生仔猪禁食24 h后,分别灌喂低蛋白质 (LP组)、低蛋白质+亮氨酸(LP+L组)和高蛋白 质(HP组)的饲粮后,LP+L和HP组的mTOR/ S6K/4E—BP1磷酸化水平及蛋白质合成水平显著 高于LP组 引。Columbus等 在研究亮氨酸对 仔猪蛋白质合成的作用时做了类似的处理,LP+L 或HP组仔猪血浆中的亮氨酸、异亮氨酸和颉氨酸 含量显著增加,LP+L组的mTOR信号通路中的 4E—BP1和elF4G·elF4E的磷酸化水平均显著高 于LP组;与此同时,HP组仔猪的体重和瘦肉量均 显著增加。此外,Yao等 。。发现精氨酸也可以激 活mTOR信号通路,并促进仔猪肌肉蛋白质的合 成和体重的增加。同样的结果在原鸡上也得到了 证实,在含有精氨酸的培养液中,mTOR、4E-BP1 和S6K1 mRNA表达量得到了显著的增加,且鸡肠 自噬是细胞内的物质成分利用溶酶体被降解 过程的统称。细胞在外界因素(营养成分、缺血和 缺氧、生长因子浓度等)及内在因素(代谢压力、破 坏的细胞器等)的诱发下,通过对受损细胞器等大 分子物质进行降解,细胞自噬为合成新的蛋白质 提供所需的原料,有利于维持蛋白质代谢平衡及 细胞内环境稳定。 mTOR调节自噬已有广泛的研究,其调节机 制是调控ULK1一Atgl3一RB1CC1一Atgl01复合体的 磷酸化状态。在营养丰富的条件下,mTOR磷酸 化A唔13,后者在高磷酸化状态下,与A略1的亲和 力下降,使Atgl激酶活性降低,细胞自噬水平下 降。相反,在饥饿条件下,mTOR活性被抑制, A l3去磷酸化并与A唔1激酶紧密结合,导致 Atgl激酶激活从而启动自噬,雷帕霉素可抑制 mTOR的活性,有助于Atgl3去磷酸化和Atgl活 化,诱导自噬[42-43]。有研究发现,丝氨酸/苏氨酸 蛋白激酶ATM的c端序列与PI3K催化区同源, 能够刺激LBK/AMPK/TSC2通路下游信号,从而 抑制mTOR。mTOR被抑制后可激活ULK1, ULKI通过与UVRAG结合再使beclin l(丝氨酸 l4位点)磷酸化,从而增强beclin l—Vps34-Atg14L 复合体的活性,启动自噬 。 3.5 roTOR调节衰老 衰老是随着时间的推进在机体内出现的细胞 以及组织器官的生理功能的衰退现象。一直以 来,衰老都是研究的焦点,mTOR也因其参与衰老 进程的调控作用而得到大量的研究。其中,2009 年,首次在《Nature))上报道了mTOR信号与衰老 有密切的关系。该研究发现,600日龄的雌雄小鼠 饲粮中添加mTOR的抑制剂雷帕霉素,分别提高 了雌雄小鼠13%和9%的寿命 。随后,有学者 关注了mTOR下游信号与衰老之间的关系。在 mTOR.S6K1信号通路中,限制能量摄人的小鼠或 敲除S6K1基因的小鼠同样表现出了寿命延长,衰 老相关疾病减轻 J。以上研究表明了mTOR信 号通路参与了机体衰老,但具体机制现仍未明确。 动物营养学报 30卷 Drosophila homolog of the target of rapamycin[J]. 4 小 结 mTOR是一种结构与功能高度保守的蛋白 [7] Genes&development,2000,14(21):2689—2694. JIANG J,FENG L,LIU Y,et a1.Mechanistic target of rapamycin in common carp:cDNA cloning,character— 质,是能量代谢调控的中枢传感器,在摄食调控、 脂类代谢、蛋白质合成等方面都起到了重要的作 用。mTOR信号通路可以在转录和翻译水平上调 节许多基因的表达,若其调控机制失调将会引起 机体紊乱。已有的研究报道发现,mTOR与代谢 综合征、癌症等疾病的发生密切相关。因此,对 [9] [8] ization,and tissue expression[J].Gene,2013,512 (2):566-572. ANFRADE M A.BORK P.Heat repeats in the Hun— tington’s disease protein[J].Nature Genetics,1995, 1l(2):li5—116. YANG H J,RUDGE D G,Koos J D,et a1.mTOR ki— mTOR生理功能的深入研究,将有助于疾病的治 疗和新药的开发。目前,有关mTOR的研究主要 集中在人类、小鼠上,而在其他哺乳动物上的研究 还相对较少。鉴于mTOR强大的生理功能,如何 通过mTOR信号通路来调节动物生产性能将是我 们今后的一个研究重点。如mTOR在蛋白质和脂 质合成上发挥了重要的调控作用,那么是否可通 过调节mTOR信号通路来提高动物饲料的蛋白质 利用率及减少动物体内脂肪沉积。这些都是未来 值得我们去研究的方向,可以预期mTOR在动物 生产中将有广泛的应用前景。 参考文献: [1] VI ̄ZINA C,KUDELSKI A,SEHGAL S.Rapamycin (AY一22,989),a new antifungal antibiotic:I.taxono— my of the producing streptomycete and isolation of the active principle[J].The Journal of Antibiotics,1975, 28(10):721—726. 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Mammalian Target of Rapamycin:Biological Functions and Mechanisms YUAN Dengyue WU Yuanbing。LIN Fangjun QIN Chuanjie LI Zhiqiong (1.College of Life Science,Neijiang Normal University,Key Laboratory of Sichuan Province for Fishes Conservation and Utilization in the Upper Reaches ofthe Yangtze River,Neijiang 641100,China;2.College of Animal Science and Technology,Sichuan Agricultural Universiy,Chengdu 61t 1 130,China) Abstract:Mammalian target of rapamycin(roTOR)is a highly conserved protein kinase.mTOR plays a cru— cial role in food intake,lipogenesis and protein synthesis,autophagy and aging,SO the physiological functions of mTOR becomes one of research highlights.This paper reviewed the structure,tissue distribution,physiolog— ical functions and mechanism of mTOR,wih tthe aim of providing a valuable reference for mechanism of mTOR signaling pathways.[Chinese Journal of Animal Nutrition,2018,30(2):484-490] Key words:mTOR;regulation of food intake;lipogenesis;protein synthesis;action mechanism Corresponding author,professor,E-mail:lizhiqiong454@163.corn (责任编辑王智航) 

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