RPTOR

导读前几节我们介绍了RTKs（第一、二期）、MAPK通路（第三期），今天我们介绍另一个在RTKs下游、与MAPK平行的另一个重要通路—PI3K通路。01PI3K的组成与激活方式磷脂酰肌醇3-激酶（Phosphatidylinositide 3-kinases，PI3K）是一种胞内磷脂酰肌醇激酶，具有磷脂酰肌醇激酶活性的同时，也具有丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)激酶活性。PI3K可分为3类，其中研究最广泛的为I类PI3K, 此类PI3K为异源二聚体，由一个调节亚基p85（由PIK3R1基因编码）和一个催化亚基p110（由PIK3CA基因编码）组成。催化亚基共有α、β、δ、γ四种类型，其中，α、β、δ类对应p85α, p85β或p55调节亚基；而γ类对应p101和p84/87调节亚基。调节亚基具有SH2结构域，能够识别RTKs的胞内激酶结构域（TK），并引发催化亚基p110的激活。图 1. PI3K的激活方式PI3K的激活方式一共有4种。如上图所示，当胰岛素家族生长因子激活相应的RTKs时，p85可以通过IRS1等接头蛋白（Adapter Protein）间接被接活（a）；此外，其他家族生长因子及RTKs结合时，p85也可以直接识别TK结构域（b）；上一期中我们提到的RAS蛋白在RAS-GTP的形式下，也可以直接活化PI3K 的催化亚基p110（c）。Raf和PI3K均可被RAS调节是MAPK通路与PI3K通路存在交叉的主要原因；此外，γ型PI3K催化亚基还可以被某些G蛋白偶联受体激活（d）。02P13K催化功能图 2. PI3K催化的反应PI3K激活后能够催化PIP2的3位羟基磷酸化生成PIP3，从而进一步促进下游通路；恰恰相反，细胞中另一种酶PTEN则能催化这个反应的逆过程，并对PI3K下游的通路产生抑制作用。PIP3生成后，可以充当第二信使，同时招募PDK1和AKT蛋白到质膜上，使PDK1磷酸化AKT蛋白的308号位的苏氨酸（T308），导致AKT部分活化。被活化的AKT将进一步激活下游调控通路。03PI3k-AKT 通路图 3. PI3K-AKT及下游蛋白AKT 是一类 AGC 家族的丝氨酸/苏氨酸激酶，主要包含3 个结构域：PH 结构域（对 PIP3 有亲和力，对与胞膜的结合至关重要）、催化结构域、调节结构域。AKT作为一种原癌基因，在多种细胞过程中发挥关键作用，如葡萄糖代谢，细胞凋亡，细胞增殖，转录和细胞迁移；PI3K/AKT 信号通路失调见于多种人类疾病，包括癌症、糖尿病、心血管疾病和神经疾病。 AKT下游作用的底物分类繁多，结合上图我们对主要的底物进行概述：1、TSC2TSC复合体（结节性硬化症复合体）包含三个亚基：TSC1，TSC2以及TBC1D7，能够负调控mTORC1复合体的活性，起到肿瘤抑制的作用。产生这种作用的主要原理是：TSC2包含的GTP酶活化蛋白（GTPase activating protein，简称GAP）结构域，将GTP形式的RHEB（RAS家族的一种小G蛋白）水解为GDP形式的RHEB，导致RHEB失活，不能激活mTORC1的激酶活性，从而抑制细胞生长。而AKT诱导TSC2蛋白(tuberin) 的939位Ser和 1462位Thr磷酸化后，活性抑制，导致mTOR通路反而被激活；2、BADBAD（Bcl2相关的细胞死亡激动剂）能够正向调节线粒体的凋亡，AKT磷酸化该蛋白后，BAD活性抑制；3、MDM2AKT能够通过磷酸化p53的泛素连接酶—MDM2而使其激活，从而抑制p53产生的细胞周期阻滞与凋亡。4、p21 和 p27    CDK抑制因子p21和p27是两个重要的细胞周期调节因子，在正常细胞 DNA受损伤时 , 被P53诱导产生，抑制DNA复制，增强DNA修复，起到抑癌作用。而AKT磷酸化抑制这些CDK抑制因子后能够抑制其活性。5、GSK3βGSK3β（糖原合成酶激酶3β）是一种在进化上非常保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，参与肝糖代谢，在Wnt 通路中扮演重要的角色。正常情况下GSK3β可以磷酸化β-catenin使其经蛋白酶体降解， AKT磷酸化GSK3β后，导致GSK3β失活，不能再磷酸化β-catenin，致使β-Catenin在胞浆内大量聚集，从而进入细胞核并激活与细胞分裂和生长调控相关的基因（如c-myc和Cyclin D1等）。6、IKK ( IκB kinase )IKK ( IκB kinase ) 被AKT磷酸化激活，IKK 进一步磷酸化抑制能够抑制NF-kβ途径的转录因子IκB（注意断句....），最终结果是：AKT正向调控了NF-kβ途径，从而对细胞生存、增殖、侵袭、血管生成和化疗耐药产生影响。 7、WEE1    CDK1抑制激酶—WEE1能够被磷酸化抑制，对有丝分裂产生影响。8、ASK1ASK1 （凋亡信号调节激酶1）是一种能够激活JNK信号通路（MAPK通路的一种，详情见第二期）的MAPKKK，与凋亡诱导，促凋亡和内皮网应激(ERS)有关，AKT磷酸化ASK1后，导致其活性抑制。9、FOXOFOXO是一种凋亡诱导转录因子，AKT磷酸化FOXO后导致其在细胞内重新定位并失去转录活性。综上所述，我们可以看出：AKT所产生的效应最终结果大多引起细胞增殖及避免凋亡。04PI3K-AKT-mTOR 通路及TORC复合物前面我们已经说过了，AKT能够通过抑制TSC2，间接导致RHEB激活mTOR增强。mTOR全称叫做哺乳动物雷帕霉素靶点（mammalian target of rapamycin， mTOR）。mTOR是一类丝/苏氨酸激酶，C端与磷脂酰肌醇激酶（PI3K）催化域同源，但是却不具备酯酶激酶的活性，而具有Ser/Thr蛋白激酶活性。mTOR 能够形成两种复合物：TORC1和TORC2。图 4. PI3K-AKT-mTOR通路除了能被AKT激活外，mTOR还能根据细胞环境的能量与营养情况被激活或抑制。如上图所示，当能量不足（AMP/ATP 比例增高）、缺氧时， TSC2、TSC1形成复合体增强，抑制mTOR复合物形成。当溶酶体氨基酸过量时，H+-vATP酶能够激活带有鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEFs)的蛋白复合物Ragulator，从而促进TORC1的形成。图 5. TORC1与TORC2前面已经提到，mTOR有两种复合物：mTORC1 和mTORC2。mTORC1 由 mTOR、mTOR 调节相关蛋白 Raptor、MLST8 和非核心组分 PRAS40、DEPTOR 组成。mTORC2 由 mTOR、mTOR 帕霉素不敏感伴侣 RICTOR、MLST8 和 mSIN1 组成。这两种复合物的主要区别就在于：结合蛋白是Raptor还是Rictor以及相关蛋白是PRAS40还是mSIN1。其中，前者的区别主要决定TORC1对雷帕霉素敏感，而TORC2对雷帕霉素不敏感；而后者的区别则在于：PRAS40是AKT的底物，而mSIN1是MAPK的底物。从功能上来说，TORC2功能较为简单，它能够磷酸化AKT从而对mTOR产生正反馈，促进mTOR进一步活化（与前面PDK1的部分活化呼应）。TORC1则不同，能够继续磷酸化下游多种底物，调控细胞生存、增殖、蛋白质合成、脂质生成、血管生成和自噬等生物过程。05TORC1 下游底物与效应图 6. TORC1下游底物及效应TORC1 与蛋白质合成真核起始因子4E（eIF4E） 是一种帽结合蛋白，可以特异性地识别mRNA的5'端的帽子结构，在真核翻译的起始过程中发挥重要作用。其阻遏蛋白4EBP1磷酸化缺失时，eIF4E 不能被释放出来用于招募核糖体用于激活翻译过程。mTOR通过磷酸化4EBP1，解除其对EIF4E的抑制作用，从而促进翻译和蛋白质的合成。TORC1还可以先磷酸化激活下游AGC家族核糖体S6激酶（S6K1），S6K1可以磷酸化激活核糖体S6蛋白（RPS6）、PDK1（AKT上游激动蛋白）、MDM2（p53抑制因子）、转录调节因子EEF2、接头蛋白IRS等，磷酸化抑制促凋亡蛋白BAD。最终的效应就是：避免细胞凋亡、促进蛋白质合成。TORC1 与脂质合成TORC1除了促进蛋白质合成外，还可以磷酸化激活STAT3 (信号转导与转录激活因子3)促进细胞增殖；激活SREBPs(固醇调节元件结合蛋白)和PPARα和γ(过氧化物酶体增殖物激活受体) 促进脂质合成。TORC1 与血管生成TORC1能够通过激活HIF1α促进血管生成，而HIF1α也可以间接地激活TSC2，从而对TORC产生负调控作用。TORC1与自噬TORC1通过磷酸化抑制下游底物ULK1等自噬相关蛋白，抑制自噬过程。综上所述，TORC1通过磷酸化激活/抑制一系列底物，直接/间接提高了蛋白质和脂质的合成、促进细胞增殖，引起细胞和组织的生长。06PI3K-AKT-mTOR 与肿瘤从上文我们可知，PI3K 通路可以通过多种途径避免细胞凋亡，促进其存活及增殖。PI3K/AKT信号通路在肿瘤发生中广泛的激活，尤其是PIK3CA，PIK3R1，PTEN，AKT等基因存在高频突变（其中PIK3CA基因在大约36%的乳腺癌中存在突变），与肿瘤发生、发展以及耐药密切相关。目前该通路的主要涉及的突变有：1、PIK3CA突变PIK3CA是肿瘤中编码 PI3K 蛋白 P110 亚基的基因，具有较高的突变比例。在前列腺癌、乳腺癌等多种癌症中，超过 10%以上的病例存在PIK3CA 突变。其中，激活型突变占80%以上。激活点突变可以让 PI3K 蛋白不依赖上游信号，而持续保持激活状态。PIK3CA 突变被认为是 EGFR-TKI 治疗产生耐药的潜在原因之一。2、PTEN突变前文我们提到， 抑癌基因PTEN能够产生与PI3K相反的效应，因此其突变也导致癌症发展。在子宫内膜癌、脑癌、皮肤癌和前列腺癌中， 10%以上的病例存在 PTEN 基因突变。3、AKT突变AKT基因家族包括：AKT1，AKT2，AKT3。AKT 在肿瘤中最常见的突变形式，是激活点突变和基因拷贝数异常增加。在乳腺癌、结直肠癌、卵巢癌和膀胱癌中，有相当高比例的病例。图 7. 针对PI3K-AKT-mTOR通路设计的药物如上图所示，目前针对PI3K、AKT以及mTORC靶点的药物研发均有一些进展。参考文献：[1] Robert, Jacques. Textbook of Cell Signalling in Cancer [M]. Springer International Publishing, 2015.[2]  Wagener C , Stocking C , O. Müller. Cancer Signaling - From Molecular Biology to Targeted Therapy[M]. 2017.[3] Amanda H . Cancer cell signalling[M]. Wiley Blackwell, 2014.部分素材来源于网络，侵删。预告第五期：细胞因子通路；第六期：TGFβ通路；原创不易，欢迎发现“分享”和“点赞”

撰文丨王聪 编辑丨王多鱼 排版丨水成文 丙酮酸和支链氨基酸（BCAA）代谢是肿瘤进展中的关键途径，但它们之间复杂的相互作用及其对肿瘤进展的影响仍不清楚。 2025 年 3 月 19 日，复旦大学代谢与整合生理学研究院刘军力研究员、上海交通大学医学院附属第六人民医院陈素贞副研究员及中国科学院分子细胞科学卓越创新中心（生化细胞所）杨巍维研究员等人在 Cell 子刊 Cell Metabolism 上发表了题为：Pyruvate Metabolism Enzyme DLAT Promotes Tumorigenesis by Suppressing Leucine Catabolism 的研究论文。 该研究首次揭示了丙酮酸代谢关键酶——二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶（DLAT）通过乙酰化亮氨酸分解代谢酶 AUH，抑制亮氨酸分解并激活 mTOR 信号通路，从而促进肝癌发展的新机制。进而创新性开发了一种基于该调控机制的脂质纳米颗粒（LNP）递送的 mRNA 疗法，为肝癌治疗提供了新思路。 根据最新统计数据，肝细胞癌（HCC）在全球范围内发病率和死亡率显著上升。代谢重编程在肝癌进展中的作用正不断被阐明。代谢重编程的主要特征包括 Warburg 效应和支链氨基酸（BCAA）代谢的改变。近期的研究突显了丙酮酸（Warburg 效应的中间产物）及其代谢在肿瘤发生过程中的作用日益显著。 丙酮酸脱氢酶（PDH）复合物由三种催化酶 PDHE1、PDHE2 和 PDHE3 组成，在代谢过程中充当糖酵解与三羧酸循环之间的新型桥梁。 PDHE2，也称为二氢硫辛酰胺S-乙酰转移酶（DLAT），被认为是丙酮酸脱氢酶复合体（PDH）中的关键乙酰转移酶，通过乙酰基转移促进乙酰辅酶 A（CoA）的生成。值得注意的是，DLAT 还具有蛋白质乙酰转移酶的功能，能够乙酰化 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（6PGD）和 c-MYC。其他潜在的由 DLAT 介导的乙酰化靶点及其在代谢调节中的作用仍不清楚。此外，DLAT 除了对丙酮酸代谢产生影响之外，是否还通过协调其他代谢途径的调节来促进肿瘤生长，这一点仍有待阐明。 支链氨基酸（BCAA）在癌症代谢和肿瘤发生过程中发挥着关键作用。在支链氨基酸中，亮氨酸在激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物 1（mTORC1）通路方面显得尤为关键。亮氨酸增强了 Rag GTP 酶与 Raptor 的结合，从而激活了 mTORC1，导致持续的蛋白质合成信号传导和癌细胞的快速生长。特别是，亮氨酸的耗竭可能通过 Rag GTP 酶使 mTORC1 失活，即便在存在其他氨基酸的情况下也是如此，这突显了亮氨酸在该通路中的特定作用。 肝脏组织中亮氨酸水平升高与肝细胞癌进展显著相关。在肝癌的发展过程中，观察到亮氨酸蓄积诱导的 mTOR 激活，其机制还需要深入研究。 在支链氨基酸分解代谢途径中，AU RNA 结合的甲基戊二酰辅酶 A 水合酶（AUH）具有独作用。AUH 被鉴定为在亮氨酸分解代谢中唯一催化 S-3-羟基-3-甲基戊二酰CoA （HMG-CoA）的产生。然而，AUH 的代谢活性调控及其在肿瘤进展中的作用尚不清楚。 该研究显示，丙酮酸代谢酶——二氢硫辛酰胺 S-乙酰转移酶（DLAT），可促进肝细胞癌（HCC）中亮氨酸的积累，并维持 mTOR 复合物的激活。 从机制上讲，DLAT 直接乙酰化亮氨酸分解代谢中关键酶——AUH 的 K109 氨基酸残基，抑制其活性，导致亮氨酸积累。值得注意的是，DLAT 的上调与肝细胞癌（HCC）患者的不良预后相关。 在这些发现的基础上，研究团队开发了一种脂质纳米颗粒递送 AUHK109R-mRNA 的治疗策略——AUHK109R-mRNA LNP，该策略通过在体内恢复亮氨酸分解代谢和抑制 mTOR 激活，有效抑制肿瘤生长。 该研究的核心发现： DLAT 表达水平升高与肝细胞癌患者的不良预后相关； DLAT 敲除通过破坏亮氨酸-mTOR 信号轴抑制肝细胞癌进展； DLAT 直接在 AUH 的 K109 位点进行乙酰化，抑制亮氨酸的分解代谢； AUHK109R-mRNA LNP 通过恢复亮氨酸分解代谢有效抑制肝细胞癌生长。 总的来说，这项研究揭示了 DLAT 不仅作为丙酮酸代谢的关键酶，而且出人意料地作为 AUH 的乙酰转移酶，通过 AUH 的乙酰化，抑制亮氨酸的分解代谢。在此基础上，研究团队进一步开发了脂质纳米颗粒（LNP）递送的编码 AUH 突变体（AUHK109R）的mRNA，能够有效地抑制了肝癌的进展，为肝癌的治疗提供了一个有前景的新途径。 刘军力研究员、陈素贞副研究员与杨巍维研究员为论文共同通讯作者。上海交通大学医学院附属第六人民医院博士研究生王宁、上海交通大学医学院附属第六人民医院博士研究生陆思嘉及上海交通大学医学院研究生操子一为该论文共同第一作者。 论文链接： https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(25)00066-X 设置星标，不错过精彩推文 开放转载 欢迎转发到朋友圈和微信群  微信加群  为促进前沿研究的传播和交流，我们组建了多个专业交流群，长按下方二维码，即可添加小编微信进群，由于申请人数较多，添加微信时请备注：学校/专业/姓名，如果是PI/教授，还请注明。 点在看，传递你的品味

引言 中枢神经系统（CNS）是动物的控制中枢，负责感知外界信号并控制躯体的运动，也是学习和记忆的生理基础。虽然CNS受到颅骨和脊柱的严密保护，一些意外创伤和神经退行性疾病等仍然会严重破坏神经网络的完整性。由于成年哺乳动物CNS缺乏自我修复能力，这些损伤常造成永久的功能缺陷。脊髓损伤造成的瘫痪就是其中的一种。瘫痪的根本原因是远程投射的神经纤维被截断，导致大脑和躯干之间无法进行有效的信号传递。在这种情况下，大部分神经元依然存在。因此，挖掘轴突再生的分子机制，促进轴突再生以修复神经网络，是治疗脊髓损伤的重要方向。 2019年，香港科技大学刘凯课题组在Neuron上发表长文Rewiring neuronal glycerolipid metabolism determines the extent of axon regeneration，发现通过调节神经元的甘油脂代谢，使神经元中参与细胞膜构造的磷脂类合成增加，而贮藏脂类如甘油三酯合成减少，能够促进损伤后的视神经轴突再生【1】。然而，是否有更多的分子机制参与其中以及相关机制在脊髓损伤后的作用尚待研究。近日，刘凯课题组在PNAS发表文章Lipin1 depletion coordinates neuronal signaling pathways to promote motor and sensory axon regeneration after spinal cord injury，进一步阐释了lipin1通过调控神经元内脂质分子来影响关键的信号通路，进而决定脊髓损伤后皮质脊髓束（CST）和上行感觉神经的轴突再生。 Lipin1是一种磷脂酸磷脂酶，在细胞从头合成甘油三酯的甘油三磷酸途径中发挥重要作用。之前的研究发现，抑制视神经节细胞（RGC）中lipin1表达能够重塑神经元的脂类代谢，使其从合成贮藏性脂类如甘油三酯转向合成细胞膜组分的磷脂，从而提升视神经的再生能力【1】。然而，脂质分子除了用于储存能量和组成细胞膜，也是重要的信号传导分子。Lipin1的底物磷脂酸（PA）及其上游的溶血磷脂酸（LPA）就是典型的例子。PA可以直接与mTOR结合以调控其与底物的结合和催化能力，而LPA也参与多种信号通路的激活【2-3】。为了研究lipin1是否通过脂质分子信号传递影响轴突再生，研究者检测lipin1敲减（KD）激活哪些与轴突再生相关的信号通路。研究发现，lipin1 KD激活mTOR和STAT3。如果敲除mTOR或者Stat3，lipin1 KD诱导的视神经再生被部分抑制。mTOR主要通过mTORC1决定CNS再生能力。敲除mTORC1的骨架蛋白Rptor与敲除mTOR有相似的抑制再生效果。有意思的是，同时敲除Rptor和Stat3完全消除了lipin1 KD促使的视神经再生。这说明lipin1主要通过mTOR和STAT3信号通路影响视神经再生。 下一步，研究者探究PA和LPA是否介导了lipin1对mTOR和STAT3的调控。研究发现，lipin1 KD后神经元内PA和LPA的丰度增加。直接将PA递送到体外培养的神经元能激活mTOR，但无法激活STAT3。递送LPA则同时激活了mTOR和STAT3。更重要的是，递送PA或者LPA均能促进神经轴突的生长。这说明lipin1通过改变神经元内PA和LPA的丰度来调控mTOR和STAT3活性。 由于视神经损伤后lipin1上调滞后于mTOR的下调，研究者进一步探索mTOR是否影响lipin1的表达。研究发现，mTOR抑制lipin1的表达，过表达lipin1抑制mTOR的激活，而且过表达lipin1抑制了Pten敲除促使的视神经再生。结合之前的结果，研究发现mTOR–lipin1-PA/LPA–mTOR形成了一条正反馈信号环路，这可能是CNS神经损伤后mTOR被持续抑制的关键机制。 图 1 Lipin1 KD促进完全脊髓损伤后CST再生（Credit: PNAS） 前面的研究主要以视神经损伤为模型。进一步的，研究者探索lipin1能否调控脊髓损伤后的轴突再生。研究者首先关注从大脑皮层投射到脊髓的CST的再生能力。研究发现：在脑干切断单侧锥体以清除一束CST的模型，lipin1 KD促使CST形成更多的分支投射到对侧；在脊髓完全横断损伤模型，lipin1 KD促使CST轴突茁壮再生，穿越损伤区并投射到远端区域（图1）。为了确定lipin1 KD在其他脊髓束再生中是否也起作用，研究者测试了上行的感觉神经的再生。研究发现，lipin1 KD也显著增强了感觉神经的再生能力。有趣的是，lipin1 KD激活了mTOR但不激活STAT3，这说明不同神经元的脂质代谢或者信号传递可能存在差异。 图 2 Lipin1调控轴突再生的分子机制（Credit: PNAS） 综上所述，抑制lipin1表达不仅改变神经元内脂类代谢，而且通过PA和LPA来激活mTOR和STAT3信号通路，从而决定CNS轴突再生能力（图2）。这一研究确定了lipin1作为控制多种轴突再生的保守性靶标，为修复脊髓损伤提供了新的方向。 参考文献 1. C. Yang et al., ‘Rewiring Neuronal Glycerolipid Metabolism Determines the Extent of Axon Regeneration’, Neuron, vol. 105, no. 2, pp. 276-292.e5, Jan. 2020, doi: 10.1016/j.neuron.2019.10.009. 2. M. A. Frias, A. Hatipoglu, and D. A. Foster, ‘Regulation of mTOR by phosphatidic acid’, Trends in Endocrinology & Metabolism, vol. 34, no. 3, pp. 170–180, Mar. 2023, doi: 10.1016/j.tem.2023.01.004. [3] L. H. M. Geraldo et al., ‘Role of lysophosphatidic acid and its receptors in health and disease: novel therapeutic strategies’, Sig Transduct Target Ther, vol. 6, no. 1, p. 45, Feb. 2021, doi: 10.1038/s41392-020-00367-5. www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2404395121 责编|探索君 排版|探索君 文章来源|“BioArt” End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述