Центральна роль mTOR у ліпідному гомеостазі

Дадлі В. Ламінг

1 Інститут біомедичних досліджень Уайтхеда, Кембридж, МА 02142, США; Департамент біології, MIT, Кембридж, Массачусетс 02139, США; Медичний інститут Говарда Х'юза, Массачусетський технологічний інститут, Кембридж, Массачусетс 02139, США; Широкий інститут Гарварда та Массачусетського технологічного інституту, Сім Кембриджський центр, Кембридж, Массачусетс 02142, США; Інститут інтегративних досліджень раку Девіда Х. Коха при Массачусетському технологічному інституті, Кембридж, Массачусетс 02139, США

Девід М. Сабатіні

Резюме

Сигнальний шлях mTOR регулює багато фундаментальних метаболічних та фізіологічних процесів, включаючи ліпідний обмін. Ми досліджуємо останні результати щодо ролі mTOR у ліпідному гомеостазі, з акцентом на нещодавніх висновках моделей in vivo щодо ролі mTORC2 у ліполізі, ліпогенезі та адипогенезі.

Вступ до mTOR

Механістичною мішенню рапаміцину (mTOR) є PI3K-подібна серин/треонін протеїнкіназа, яка еволюційно зберігається у всіх еукаріотів. mTOR міститься у двох комплексах, кожен із різних білкових компонентів, а також субстратів. Комплекс mTOR 1 (mTORC1), гостро чутливий до рапаміцину, регулює такі процеси, як біогенез рибосом, трансляція, що залежить від шапки, біогенез лізосом та аутофагія через субстрати, що включають S6K, 4E-BP1, TFEB1 та Ulk1. Активність mTORC1 частково регулюється сімейством ГТФаз Rag, які сприяють локалізації mTORC1 у лізосомі у відповідь на амінокислоти та глюкозу. У лізосомі mTORC1 активується пов'язаним з GTP ребеком, який сам регулюється комплексом бульбового склерозу (TSC 1/2) у відповідь на сигнали AMPK, кисню та фактора росту. Комплекс mTOR 2 (mTORC2), стійкий до лікування гострого рапаміцину, але може бути порушений хронічним лікуванням рапаміцином у культурі тканин, а також in vivo, чутливий до сигналізації про фактор росту та регулює цілі за рецептором інсуліну/IGF-1 через основи, що включають Akt, SGK та PKCα. Для більш повного лікування регуляції передачі сигналів mTOR у відповідь на поживні речовини, ми звертаємося до читача до недавнього всебічного огляду (Laplante and Sabatini, 2012).

Протягом кількох останніх років спостерігався вибух інтересу до сигнального шляху mTOR, що значною мірою стимулювалось виявленням того, що інгібування передачі сигналів mTORC1 може значно збільшити тривалість життя та захистити від вікових захворювань на моделях мишей (оглянуто в (Lamming et al., 2013)). Генно-інженерні моделі мишей суттєво додали нам розуміння ролі mTOR у фізіології ссавців. Зрозуміло, що сигналізація mTOR регулює ліпідний гомеостаз, оскільки лікування гризунами або людьми рапаміцином призводить до гіперліпідемії та гіперхолестеринемії. Цей міні-огляд буде зосереджений на ролі mTORC1 та mTORC2 у фізіології ліпідів (Рисунок 1А).

mTOR при ліпідному гомеостазі. А) Модель дії mTORC1 та mTORC2 в ліпідному обміні, включаючи адипогенез, ліпогенез та ліполіз. mTORC1 також контролює кетогенез, який може мати взаємні зв'язки з ліпогенезом, за допомогою NCoR1, але точний механізм регулювання NCoR1 невідомий. Механізм, за допомогою якого mTORC2 регулює ліпогенез та ліполіз, також наразі не відомий, хоча Akt може брати участь у регуляції ліпогенезу. Б) Представницькі зрізи печінки, змазані олійно-червоним О, від мишей дикого типу або печінки Ріктор (L-RicKO) на дієті з високим вмістом жиру протягом 25 тижнів.

Обидва комплекси mTOR відіграють роль в адипогенезі

Деякий час було оцінено, що mTORC1 відіграє роль в адипогенезі. Експерименти з культури тканин, розпочаті в 2001 р., Показали, що інгібування передачі сигналів mTORC1 генетично або за допомогою рапаміцину погіршує адипогенез, тоді як посилення сигналізації mTORC1 за допомогою siРНК проти TSC1/2 сприяє розвитку адипогенезу. Делеція TSC2 також сприяє диференціації адипоцитів (Zhang et al., 2009). Цей ефект частково опосередковується 4E-BP1 через регулювання трансляції PPARγ, але експерименти in vivo також вказують на важливу роль для S6K. Миші-нокаути S6K1 демонструють стійкість до збільшення ваги на дієті з високим вмістом жиру через порушення генерації адипоцитів (Carnevalli et al., 2010). Миші із специфічною для жиру делецією Raptor, яка необхідна для активності mTORC1, фенокопують мишей-нокаутів S6K1 (Polak et al., 2008). Вони легші, худі і стійкі до збільшення ваги на дієті з високим вмістом жиру. Крім того, їх адипоцити як менші, так і менш численні. Це було правдою, хоча експресія хижака була втрачена лише у зрілих адипоцитах. Нарешті, як обговорювалося в наступному розділі, mTORC1 може також регулювати адипогенез частково за допомогою регуляції білків, що зв'язують регулюючі елементи стеролу (SREBP).

Хоча спочатку припускали, що mTORC2 також відіграє певну роль у адипогенезі, оскільки він знаходиться вище за Akt, у початкових дослідженнях нокаутних мишей Rictor, що нокаутують, не спостерігалося дефектів адипогенезу (Cybulski et al., 2009; Kumar et al., 2010) . Однак Яо та його колеги нещодавно виявили роль mTORC2 в адипогенезі (Yao et al., 2013). Вони виявили, що фосфорилювання Akt S473 mTORC2 залежить від взаємодії Akt з фосфорильованим BTSA (білок, що містить домен BSD). Більше того, вони виявили, що BSTA є прямим субстратом mTORC2, а фосфорилювання BSTA сприяє взаємодії з Akt, що призводить до його подальшого фосфорилювання при S473. Ембріональні стовбурові клітини, у яких відсутня BSTA, мають дефектне фосфорилювання Akt S473 і не здатні диференціюватися в адипоцити. Яо та ін. виявив, що це було пов'язано з індукцією фактора транскрипції FoxC2, який пригнічує білий адипогенез, одночасно посилюючи коричневий адипогенез. Поєднання цих досліджень свідчить про те, що mTORC2 може мати важливе значення для раннього адипогенезу, але не впливає на адипогенез при вирізанні на зрілі адипоцити.

Білок, що містить mTOR-взаємодіючий білок DEP (DEPTOR), взаємодіє як з mTORC1, так і з mTORC2 (Peterson et al., 2009). DEPTOR є частиною кількісного локусу ознак, пов’язаного з ожирінням у мишей, і нещодавно було помічено, що надмірна експресія DEPTOR призводить до накопичення білої жирової тканини (Laplante et al., 2012). Підвищена експресія DEPTOR стимулює адипогенез in vitro, частково шляхом активації PPARγ (Laplante et al., 2012). Експресія DEPTOR також знімає негативний вплив mTORC1 на сигналізацію інсуліну, активуючи адипогенні функції Akt. Експресія DEPTOR значно підвищена в жировій тканині людей із ожирінням, що свідчить про те, що цей механізм може зберігатися від миші до людини (Laplante et al., 2012).

Печінковий mTORC1 регулює кетогенез та ліпогенез

Давно відомо, що під час голодування в печінці виробляються кетонові тіла як джерело енергії для периферичних тканин, включаючи мозок. Під час вивчення мишей із специфічною для печінки делецією TSC1, що призводить до конститутивної активації mTORC1, Sengupta et al. спостерігали дефектний кетогенез при голодуванні. Після 24-годинного голодування ці миші мали менше половини рівня загальних кетонів у сироватці крові контрольних мишей (Sengupta et al., 2010). Печінка літніх мишей також має підвищену активність mTORC1 та дефект кетогенезу, який можна виправити делецією печінкового раптору (Sengupta et al., 2010). Хоча механізм був невловимим, вони виявили, що mTORC1 регулює активність PPARα та експресію генів, сприяючи ядерній локалізації NCoR1, корепресора, який взаємодіє з PPARα. Кім та ін. нещодавно визначив, що S6K2, ефектор mTORC1, який є дуже гомологічним до S6K1, регулює ядерну локалізацію NCoR1 (Kim et al., 2012).