ｍＴＯＲ信號(hào)傳導(dǎo)通路及運(yùn)動(dòng)對(duì)其影響的分子機(jī)制綜述

摘要：從mTOR的分子結(jié)構(gòu)著手，綜述了以mTOR為中心的4條信號(hào)傳導(dǎo)通路(2條mTOR上游信號(hào)通路、2條mTOR下游信號(hào)通路)。這些信號(hào)通路在運(yùn)動(dòng)影響骨骼肌的信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程當(dāng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。所有這些引起骨骼肌質(zhì)量變化的信號(hào)系統(tǒng)，都是以mTOR為中心的，交互聯(lián)系，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。一方面，運(yùn)動(dòng)引起骨骼肌肥大受到PI3K/Akt/mTOR和PI3K/Akt/TSC12/mTOR兩條通路影響；另一方面，運(yùn)動(dòng)引起骨骼肌萎縮受到AMPK/TSC2/mTOR信號(hào)傳導(dǎo)通路影響。

關(guān)鍵詞：哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白；信號(hào)傳導(dǎo)；骨骼肌；分子機(jī)制；綜述

mTOR signal conduction paths and their motion affecting molecular mechanism

ZHAO Xian，LI Shi-chang，LI Xiao-ying

（School of Physical Education and Health，East China Normal University，Shanghai 200241，China）

Abstract: By working on the molecular structure of mTOR， the authors gave an overview of 4 signal conduction paths (2 mTOR upstream signal paths and 2 mTOR downstream signal paths) that base their center on mTOR. These signal paths play a critical role in the process of signal conduction of motion affecting the skeletal muscle. All these signal systems that cause the change of quality of the skeletal muscle are basing their center on mTOR， and interactively connected to form a unified signal conduction network. On the one hand， kinetic skeletal muscle hypertrophy is affected by such two paths as PI3K/Akt/mTOR and PI3K/Akt/TSC12/mTOR; on the other hand， kinetic skeletal muscle atrophy is affected by such a signal conduction path as AMPK/TSC2/mTOR.

Key words: mTOR；signal conduction；skeletal muscle；molecule mechanism；overview

骨骼肌是人體內(nèi)最主要的器官之一，骨骼肌的生長(zhǎng)受到多種因素的影響和制約，目前對(duì)影響骨骼肌生長(zhǎng)的各個(gè)方面了解還不是很透徹，但是關(guān)于骨骼肌內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)的研究已是當(dāng)今研究熱門(mén)之一。細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)通路在骨骼肌的生長(zhǎng)發(fā)育當(dāng)中特別是運(yùn)動(dòng)引起骨骼肌肥大或者萎縮當(dāng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。高度保守的哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)信號(hào)傳導(dǎo)通路在骨骼肌代謝中發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。

1mTOR的分子結(jié)構(gòu)

mTOR是一種保守的絲/蘇氨酸蛋白激酶，人類(lèi)基

因定位于1號(hào)染色體短臂(1p36.2)，編碼蛋白由2 549個(gè)氨基酸組成，分子質(zhì)量289 ku。mTOR在細(xì)胞生長(zhǎng)中處于核心地位，可在多種因素的活化下具有基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯起始、核糖體生物合成、細(xì)胞凋亡等多種生物學(xué)功能。mTOR的主要結(jié)構(gòu)域由氨基端到羧基端依次為HEAT結(jié)構(gòu)域、FAT結(jié)構(gòu)域、FRB結(jié)構(gòu)域、激酶結(jié)構(gòu)域、抑制性結(jié)構(gòu)域和FATC結(jié)構(gòu)域。HEAT結(jié)構(gòu)域含有20個(gè)HEAT串聯(lián)重復(fù)序列，形成超螺旋結(jié)構(gòu)，為mTOR提供若干蛋白與蛋白相互作用的界面[1-2]。mTOR詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

蛋白激酶催化區(qū)域CD(catalytic domain)和FRB(FKBP12-rapamycin binding)雷帕霉素結(jié)合域；

N末端有20個(gè)串聯(lián)重復(fù)的HEAT區(qū)域；C末端是FATC(FATC-termina1)結(jié)構(gòu)域參與催化活

性的調(diào)節(jié)；最后還有FAT(FRAP-ATM-TRRAP)結(jié)構(gòu)域

2mTOR的信號(hào)傳導(dǎo)通路

2.1mTOR上游信號(hào)通路

mTOR上游信號(hào)通路有兩條，分別為PI3K/Akt通路和TSC1/2通路(見(jiàn)圖2)。

1)IGF/PI3K/Akt信號(hào)傳導(dǎo)通路：該途徑為，IGF-1與其受體IGF-1R結(jié)合形成配基受體復(fù)合物后，其受體殘基被自磷酸化而激活，激活后的IGF-1R依次激活胰島素受體底物1(IRS-1)，IRS-1的磷酸化募集了另一信號(hào)分子PI3K，活化后的PI3K導(dǎo)致其下游靶蛋白Akt(PKB)磷酸化，Akt再通過(guò)使mTOR磷酸化過(guò)程激活其活性。該過(guò)程具體步驟見(jiàn)圖2中①路徑。很多研究表明，抗阻運(yùn)動(dòng)能激活I(lǐng)GF/PI3K/Akt通路，從而使得骨骼肌蛋白合成增加[3]，但是，Sakamoto[4]在研究后發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)后雖然mTOR被激活，但是并沒(méi)有出現(xiàn)Atk磷酸化或活性的提高。這提示運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的mTOR激活可能具有不依賴(lài)于Atk的信號(hào)途徑，即存在運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的肌肉肥大的非Atk/mTOR信號(hào)途徑。

2)TSC1/2信號(hào)傳導(dǎo)通路：mTOR另一條上游信號(hào)通道為T(mén)SC1/2通路(圖2中②路徑)，該路徑主要通過(guò)TSC1/2與mTOR復(fù)合物來(lái)實(shí)現(xiàn)。mTOR復(fù)合物包括Raptor、GβL、Rheb三部分(如圖3)[5]。Raptor是mTOR的一個(gè)調(diào)節(jié)性蛋白，作為一個(gè)分子橋梁使得mTOR與其他底物結(jié)合，GβL同樣可增強(qiáng)mTOR信號(hào)通路，但其具體作用機(jī)制還不清楚。Rheb的作用是結(jié)合GDP或GTP，當(dāng)Rheb與GTP結(jié)合時(shí)mTOR被激活，當(dāng)與GDP結(jié)合則抑制mTOR活性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在TSC1的參與下，TSC2可調(diào)節(jié)Rheb與GTP結(jié)合向與GDP結(jié)合轉(zhuǎn)化，促使Rheb與GDP結(jié)合從而使mTOR失活，而磷酸化的Akt可抑制TSC2的活性，導(dǎo)致Rheb與GTP結(jié)合從而激活mTOR，增強(qiáng)其信號(hào)通路。Herbert[6]的研究表明，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，Rheb的過(guò)量表達(dá)可以增加其下游S6K1和4E-BP1磷酸化。

另一種說(shuō)法認(rèn)為mTOR的活性與AMP、ATP、AMPK和能量有密切關(guān)系。在機(jī)體消耗能量時(shí)，AMP與ATP比值增加，會(huì)抑制mTOR的活性；機(jī)體處于恢復(fù)期時(shí)，AMP與ATP比值下降，促進(jìn)mTOR的活性。mTOR對(duì)能量狀態(tài)的感受正好與AMP激活A(yù)MPK的變化相反。AMPK是由AMP直接激活的，而AMP如何引起mTOR活性變化不太清楚。AMPK是一種能量感受器，調(diào)節(jié)AMP與ATP的比值保持在一定的范圍。當(dāng)AMP增加時(shí)激活A(yù)MPK，AMPK通過(guò)各種途徑加速組織對(duì)糖的吸收和脂肪的分解速率，進(jìn)而增加ATP的合成，最終使AMP與ATP比值恢復(fù)正常。有報(bào)道認(rèn)為AMPK被激活后能夠直接使mTOR的2 446位上的蘇氨酸磷酸化而抑制其活性[7]。但更多的人認(rèn)為是AMPK使TSC2磷酸化而間接抑制mTOR的活性[8]。

2.2mTOR下游信號(hào)傳導(dǎo)通路

真核細(xì)胞翻譯啟始因子4E結(jié)合蛋白1(the eIF4E-binding protein 1，4E-BP1)和核糖體蛋白S6激酶1(ribosomal protein S6 kinases，S6K1)是mTOR下游最具特色的效應(yīng)器，因此形成了兩條平行調(diào)節(jié)mRNA轉(zhuǎn)譯的信號(hào)通路[9]。

1)4E-BP1信號(hào)傳導(dǎo)通路：eIF4E是翻譯啟始因子，4E-BP1是eIF4E的結(jié)合蛋白，也是eIF4E的抑制因子。低磷酸化的4E-BP1與eIF4E具有較高的親和力；處于較高磷酸化狀態(tài)的4E-BP1則可釋放出eIF4E。因此，當(dāng)4E-BP1不被mTOR磷酸化時(shí)，4E-BP1就與eIF4E結(jié)合；當(dāng)4E-BP1被mTOR磷酸化后，降低了它與eIF4E的親和力，使eIF4E能與eIF4G、eIF4B、eIF4A結(jié)合形成多亞單位的eIF4F復(fù)合物，從而啟動(dòng)mRNA的翻譯。Bodine[10]的研究表明，在成年鼠骨骼肌中通過(guò)基因轉(zhuǎn)染表達(dá)活性形式的Akt，顯著增加了4E-BP1和S6K1磷酸化水平和肌肉肥大程度，且沒(méi)有出現(xiàn)任何骨骼肌損傷現(xiàn)象。

2)S6K1信號(hào)傳導(dǎo)通路：S6K1的Thr389位點(diǎn)很容易被mTOR磷酸化，磷酸化為PDK1的作用產(chǎn)生了一個(gè)停泊位點(diǎn)，繼而引起PDK1磷酸化S6K1的T229。而S6K1可以磷酸化調(diào)節(jié)mRNA翻譯過(guò)程中的至少3種蛋白，包括eIF4B、核糖體蛋白S6(RPS6)和真核翻譯延伸2(eEF-2)。因此，mTOR磷酸化S6K1可以調(diào)節(jié)mRNA翻譯的起始和延伸階段。Bodine[11]使用mTOR專(zhuān)一抑制劑rapamycin后，肌肉肥大受阻，發(fā)現(xiàn)mTOR以及下游的靶蛋白S6K1是肌肉肥大的相關(guān)調(diào)節(jié)子。

3運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌影響的分子機(jī)制

從現(xiàn)有的研究調(diào)查來(lái)看，運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌的影響有一種普遍認(rèn)同。這些研究認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌的影響是受到一系列以mTOR為中心的信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)影響。一方面，力量訓(xùn)練使得PI3K/Akt/mTOR(如圖4中①方向路徑)、PI3K/Akt/TSC12/mTOR（如圖4中②方向路徑）兩條通路增強(qiáng)。在PI3K/Akt/mTOR通路中，mTOR活性增強(qiáng)，磷酸化4E-BP1，使得4E-BP1從eIF4E解離，eIF4E最后形成eIF-4F復(fù)合物從而啟動(dòng)mRNA的翻譯。在PI3K/Akt/TSC12/mTOR通路中TSC2抑制mTOR，而Akt可抑制TSC2的活性，從而激活mTOR，增強(qiáng)其信號(hào)通路。另一方面，耐力訓(xùn)練引起AMP含量升高，激活A(yù)MPK，AMPK被激活后能夠直接磷酸化mTOR或者通過(guò)磷酸化TSC2，使其激活，間接抑制mTOR的活性，從而阻止mTOR下游信號(hào)傳遞，引起肌肉萎縮。值得注意的是，力量訓(xùn)練和耐力訓(xùn)練中，Akt和MPK對(duì)TSC2的磷酸化原理不同，他們的磷酸化位點(diǎn)不同[12-13]。運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌的影響機(jī)制詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)圖4。

3.1電刺激模擬運(yùn)動(dòng)影響骨骼肌的分子機(jī)制

Baar和Esser[14]首次利用電刺激模擬抗阻運(yùn)動(dòng)來(lái)研究運(yùn)動(dòng)后骨骼肌內(nèi)S6K1磷酸化變化。該研究發(fā)現(xiàn)在刺激后即刻與對(duì)照組比較，趾長(zhǎng)伸肌和脛骨前肌中S6K1沒(méi)有顯著改變，而在3~6 h之間，其磷酸化水平達(dá)到高峰(脛骨前肌中S6K1磷酸化水平是對(duì)照組的363.2%，趾長(zhǎng)伸肌中S6K1磷酸化水平是對(duì)照組的353%)。提示電刺激模擬抗阻運(yùn)動(dòng)可以提高肌肉中S6K1磷酸化水平，為肌肉肥大提供有利保證。還有研究指出，高頻刺激和低頻刺激對(duì)骨骼肌的信號(hào)通路略微不同[15]。刺激右側(cè)坐骨神經(jīng)，高頻電刺激引起脛骨前肌中Akt磷酸化水平高出對(duì)組照266%，6 h后S6K1磷酸化水平增加了380%；單次低頻電刺激后即刻脛骨前肌Akt磷酸化只增加157%，S6K1至6 h即恢復(fù)到刺激前的水平。從以上可以看出，不同強(qiáng)度的電刺激模擬運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌作用不同。高頻率電刺激可以激活A(yù)kt/mTOR通道，引起肌肉肥大。低頻率電刺激只對(duì)mTOR信號(hào)傳導(dǎo)通路中的部分起作用。

3.2力量訓(xùn)練影響骨骼肌的分子機(jī)制

Del[16]報(bào)道顯示，一次力量訓(xùn)練可導(dǎo)致骨骼肌肥大，并能夠在訓(xùn)練24 h后引起蛋白質(zhì)合成率持續(xù)性增加，這種蛋白質(zhì)合成的增加與PI3K活性、Akt、mTOR、和S6K1/70S6K密切相關(guān)。LegerB等人[17]進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)研究長(zhǎng)期力量訓(xùn)練后Akt/mTOR信號(hào)通路的變化，他們發(fā)現(xiàn)，力量訓(xùn)練8周后Akt和mTOR磷酸化水平分別顯著增加1.4倍和44%，而在停止運(yùn)動(dòng)8周后，Akt磷酸化和運(yùn)動(dòng)后相比，水平降低33%，mTOR磷酸化水平保持在與運(yùn)動(dòng)后相似的較高水平。但也有研究發(fā)現(xiàn)，力量訓(xùn)練后mTOR信號(hào)通路抑制[18]。Dreyer等人[18]觀察了人體運(yùn)動(dòng)后mTOR信號(hào)通路的變化情況，他們認(rèn)為，力量訓(xùn)練雖然是有效的肌肉生長(zhǎng)刺激因素，在運(yùn)動(dòng)結(jié)束2~3 h直至48 h都可以檢測(cè)到蛋白質(zhì)合成增加，但在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，蛋白質(zhì)合成是抑制的。他們?cè)谟?xùn)練后即刻及運(yùn)動(dòng)后1 h針刺活檢發(fā)現(xiàn)，AMPK活性顯著升高，4E-BP1磷酸化水平降低。提示AMPK的激活抑制mTOR通路和4E-BP1磷酸化水平降低可能是蛋白質(zhì)合成降低的原因。

3.3耐力訓(xùn)練影響骨骼肌的分子機(jī)制

2006年Williamson等人[19]的研究比較全面地觀察了急性耐力運(yùn)動(dòng)后蛋白質(zhì)合成和信號(hào)變化情況。他們發(fā)現(xiàn)，急性耐力運(yùn)動(dòng)后骨骼肌總蛋白合成率降低，可能與mTOR信號(hào)通路受到抑制有關(guān)，而AMPK的激活可能是mTOR信號(hào)抑制的原因之一。這一結(jié)果與2005年Bolster[20]進(jìn)行的電刺激模擬運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論較為吻合。Thomson D和Gordon S[21]也觀察到肌肉質(zhì)量與AMPK信號(hào)系統(tǒng)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，提示一旦使這種激酶發(fā)揮作用，那么骨骼肌質(zhì)量信號(hào)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生負(fù)向調(diào)控。

由此可見(jiàn)，mTOR通過(guò)PI3K/Akt/mTOR和PI3K/Akt/TSC12/mTOR兩條通路促進(jìn)骨骼肌肥大，同時(shí)AMPK/TSC2使骨骼肌萎縮，mTOR在骨骼肌的信號(hào)傳導(dǎo)當(dāng)中發(fā)揮著重要作用。但是還有許多值得研究證實(shí)的東西，比如mTOR信號(hào)通路的變化是否存在肌纖維類(lèi)型特異性，運(yùn)動(dòng)是如何介導(dǎo)PI3K/Akt/mTOR信號(hào)通路激活的等等。因此對(duì)于mTOR活性與運(yùn)動(dòng)之間的機(jī)制還有待進(jìn)一步研究和探討。

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[編輯：鄭植友]