1964年，一支加拿大探险队来到与世隔绝的南太平洋拉帕努伊岛（也被称为复活节岛），收集了一组土壤样本，目的是识别新型抗菌剂。在从其中一个样本中分离出来的细菌中，塞加尔及其同事发现了一种具有显著的抗真菌、免疫抑制和抗肿瘤特性的化合物。该化合物以其发现位点命名为雷帕霉素(临床上称为西罗莫司)，进一步分析表明，它部分通过与肽基-脯氨酰-异构酶FKBP12形成功能获得复合体来抑制细胞生长和增殖所需的信号转导通路。

尽管有这些认识，雷帕霉素的完整作用机制直到1994年才被发现，当时生化研究确定雷帕霉素的机制靶点mTOR是雷帕霉素- FKBP12复合物在哺乳动物中的直接靶点，并发现它是酵母TOR/DRR基因的同源物，这些基因此前在雷帕霉素耐药基因筛查中被鉴定。

在这些发现之后的20多年里，来自全球几十个实验室的研究显示，mTOR蛋白激酶是一个主要的真核生物信号网络，它协调细胞生长与环境条件，在细胞和生物体的生理学中发挥着基本作用。mTOR功能和调节的许多方面最近才被阐明，还有许多问题没有得到解答。在这篇综述中，我们概述了我们目前对mTOR途径的理解以及它在生长、代谢和疾病中的作用。

mTORC1和mTORC2

mTOR是PI3K相关激酶(PIKK)家族中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，形成两个不同的蛋白复合物的催化亚基，称为mTOR复合物1 (mTORC1)和2 (mTORC2)（图1A）。mTORC1由其三个核心成分组成：mTOR、Raptor（与mTOR相关的调节蛋白）和mLST8（哺乳动物致死的Sec13蛋白8，也被称为GßL）（图1B）。Raptor通过与几个典型的mTORC1底物上发现的TOR信号（TOS）图案结合，促进底物被招募到mTORC1，如后面所述，是mTORC1正确的亚细胞定位所必需的。 相反，mLST8与mTORC1的催化结构域结合，可能稳定激酶激活环，尽管遗传研究表明它对mTORC1的基本功能是不需要的。除了这三个核心成分外，mTORC1还含有两个抑制性亚单位PRAS40（富含脯氨酸的40kDa Akt底物）和DEPTOR（含有mTOR相互作用蛋白的DEP结构域）。

虽然雷帕霉素-FKBP12复合物直接抑制mTORC1，但mTORC2的特点是对急性雷帕霉素治疗不敏感。与mTORC1一样，mTORC2也包含mTOR和mLST8（图1C）。然而，mTORC2不含Raptor，而是含有Rictor。mTORC2还包含DEPTOR，以及调节亚基mSin1和Protor1/2。尽管雷帕霉素-FKBP12复合物并不直接结合或抑制mTORC2，但长期的雷帕霉素治疗确实废除了mTORC2的信号传导，这可能是由于雷帕霉素结合的mTOR不能纳入新的mTORC2复合物中。

mTOR信号通路—mTORC1下游

为了生长和分裂，细胞必须增加蛋白质、脂质和核苷酸的生产，同时抑制分解代谢途径，如自噬。mTORC1在调节所有这些过程中发挥着核心作用，因此在环境条件下控制合成代谢和分解代谢之间的平衡(图2A和2B)。在这里，我们回顾了mTORC1下游的关键底物和细胞过程，以及它们如何促进细胞生长。这里讨论的大多数功能是在哺乳动物细胞系的背景下确定和表征的，而这些过程的重要生理背景将在下面进行更详细的讨论。

调控蛋白质合成

mTORC1主要通过磷酸化两个关键效应物，p70S6激酶1（S6K1）和eIF4E结合蛋白（4EBP）来促进蛋白质的合成（图2B）。S6K1磷酸化后激活几个促进mRNA翻译启动的底物，包括eIF4B，一个5 ‘帽结合eIF4F复合物的积极调节器。S6K1还磷酸化并促进PDCD4的降解，PDCD4是eIF4B的抑制剂，并通过与SKAR的相互作用提高剪接后的mRNA的翻译效率，SKAR是外显子连接复合体的一个组成部分。

mTORC1底物4EBP与S6K1无关，它通过结合和封存eIF4E来抑制翻译，以防止eIF4F复合物的组装。mTORC1在多个位点磷酸化4EBP，以触发其与eIF4E的解离，允许5‘帽依赖的mRNA翻译发生。虽然长期以来，人们一直认为mTORC1信号调节mRNA翻译，但它是否以及如何影响特定类别的mRNA转录物一直存在争议。然而，核糖体足迹分析显示，虽然急性mTOR抑制会适度抑制一般的mRNA翻译，但它最深刻地影响了含有富含嘧啶的5 ‘TOP或TOP类图案的mRNA，其中包括参与蛋白质合成的大多数基因。

调控脂质，核苷酸和葡萄糖代谢

生长中的细胞需要足够的脂质来形成和扩张新膜。mTORC1通过固醇响应元件结合蛋白(sterol responsive element binding protein, SREBP)转录因子促进脂质从头合成，该转录因子控制脂肪酸和胆固醇生物合成相关代谢基因的表达。虽然SREBP是在低固醇水平下被规范激活的，但mTORC1信号通路也可以通过S6K1依赖的机制以及在没有mTORC1信号的情况下通过磷酸化另一个底物Lipin1 (Lipin1抑制SREBP)独立激活SREBP。最近的研究表明，mTORC1还能促进生长和增殖细胞中DNA复制和核糖体生物发生所需的核苷酸的合成。mTORC1增加ATF4依赖的MTHFD2的表达，MTHFD2是线粒体四氢叶酸循环的关键组成部分，为嘌呤的合成提供一个碳单位。此外，S6K1磷酸化并激活氨甲酰-磷酸合成酶(CAD)，这是从头合成嘧啶途径的关键组成部分。mTORC1还通过促进糖代谢从氧化磷酸化转变为糖酵解来促进生长，这可能有助于营养物质融入新的生物量。mTORC1增加转录因子HIF1a的翻译(图2C)， HIF1a驱动磷酸果糖激酶(PFK)等几种糖酵解酶的表达。此外，mTORC1-依赖的SREBP激活导致磷酸戊糖途径(PPP)通量增加，该途径利用葡萄糖中的碳生成NADPH和其他增殖和生长所需的中间代谢产物。

调控蛋白质周转过程

除了上述各种合成代谢过程，mTORC1还通过抑制蛋白质分解代谢促进细胞生长(图1B)，最显著的是自噬。自噬的一个重要的早期步骤是ULK1的激活，ULK1激酶与ATG13、FIP2000和ATG101形成复合体并驱动自噬小体形成。在营养充足的条件下，mTORC1磷酸化ULK1，从而阻止其被AMPK(一种关键自噬激活因子)激活。因此，mTORC1和AMPK在不同细胞环境中的相对活性在很大程度上决定了自噬诱导的程度。mTORC1也部分通过磷酸化和抑制转录因子EB (TFEB)的核转位来调控自噬，TFEB驱动溶酶体生物发生和自噬机制的基因表达。

负责蛋白质周转的第二个主要途径是泛素-蛋白酶体系统(UPS)，通过该系统，蛋白质在泛素共价修饰后被20S蛋白酶体选择性降解。最近的两项研究发现，急性mTORC1抑制通过蛋白质泛素化的普遍增加或通过抑制Erk5增加蛋白酶体伴侣的丰度，迅速增加蛋白酶体依赖的蛋白质水解(图2B)。然而，另一项研究发现，mTORC1信号的基因过度激活也可以通过提高Nrf1下游蛋白酶体亚基的表达来增加蛋白酶体的活性。对这种差异的一个可能的解释是，当急性mTORC1抑制促进蛋白质水解以恢复游离氨基酸池时，延长mTORC1激活也触发蛋白质周转的代偿性增加，以平衡蛋白质合成速率的增加。鉴于UPS在人类细胞中负责大部分蛋白质的降解，mTORC1如何准确地调控这一过程是未来的一个重要问题。

mTOR信号通路——mTORC2下游

虽然mTORC1调节细胞生长和代谢，但mTORC2主要通过磷酸化AGC (PKA/PKG/PKC)蛋白激酶家族的几个成员来控制细胞的增殖和存活(图2D)。第一个被鉴定的mTORC2底物是PKCa，一种肌动蛋白细胞骨架的调节因子。最近，mTORC2也被证明可以磷酸化PKC家族的其他成员，包括PKCd, PKCz，以及PKCg和PKCε，所有这些都调节细胞骨架重塑和细胞迁移的各个方面。

然而，mTORC2最重要的作用可能是磷酸化和激活Akt，这是胰岛素/ PI3K信号的关键效应之一。Akt一旦激活，通过磷酸化和抑制几个关键底物，包括FoxO1/3a转录因子、代谢调节剂GSK3β和mTORC1抑制因子TSC2，促进细胞存活、增殖和生长。然而，虽然mTORC2依赖的磷酸化是Akt在体内磷酸化某些底物(如FoxO1/3a)所必需的，但对其他底物(包括TSC2)的磷酸化则是不必要的。最后，mTORC2也磷酸化并激活SGK1，另一个调节运输和细胞存活的AGC激酶。

mTORC1的上游

mTORC1依赖性地转向增加新陈代谢，只有在存在促进生长的内分泌信号以及足够的能量和大分子合成的化学成分时才会发生。在哺乳动物中，这些输入在很大程度上取决于饮食，如mTORC1在进食后被激活，以促进肝脏和肌肉等组织的生长和能量储存，但在禁食期间被抑制，以保存有限的资源。在此，我们讨论了mTORC1的上游细胞途径以及它们控制mTORC1激活的机制。

生长因子

20世纪90年代早期对雷帕霉素的研究表明，mTORC1是几个生长因子和丝裂原依赖的信号通路的下游介质，所有这些信号通路都抑制了mTORC1信号的一个关键负调控因子，即结节性硬化症复合物(TSC)。TSC是由TSC1、TSC2和TBC1D7组成的异源三聚体复合物，是小GTPase Rheb的GTPase活化蛋白(GAP),使其GTPase形式转变为GDPase形式，从而失去活性。Rheb直接结合并激活mTORC1。虽然Rheb是mTORC1激酶的重要激活因子，但其如何激活mTORC1激酶活性尚不清楚。许多生长因子通路汇聚于TSC(图2A)，包括胰岛素/胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)通路，该通路触发Akt依赖的TSC2的多位点磷酸化。这种磷酸化作用通过将TSC从溶酶体膜上分离而抑制，而溶酶体膜上至少有一部分细胞Rheb定位于此。类似地，受体酪氨酸激酶依赖的Ras信号通过MAP激酶Erk及其效应物p90 RSK激活mTORC1，这两者也能磷酸化并抑制TSC2。然而，目前尚不清楚这些输入是否也控制了TSC的定位，或者通过一种独特的机制抑制其GAP活性。TSC上游的其他生长因子通路包括Wnt和炎症细胞因子TNFa，两者都通过抑制TSC1激活mTORC1。然而，TSC如何准确地整合这些信号，以及它们在不同环境下对mTORC1活动的相对影响，仍然是一个悬而未决的问题。

能量、氧气和DNA损伤

也对与生长不相容的细胞内和环境压力做出反应，如低ATP水平、缺氧或DNA损伤。细胞能量的减少，例如在葡萄糖剥夺过程中，激活应激反应代谢调节因子AMPK, AMPK通过磷酸化和激活TSC2直接抑制mTORC1，也通过Raptor的磷酸化直接抑制mTORC1。有趣的是，在缺乏AMPK的细胞中，葡萄糖的剥夺也通过抑制Rag GTPase来抑制mTORC1，这表明mTORC1通过不止一种机制感知葡萄糖。类似地，缺氧抑制mTORC1部分通过AMPK激活，但也通过诱导激活TSC的REDD1 (Regulated in DNA damage and development 1)。最后，DNA损伤反应通路通过诱导p53靶基因，包括AMPK调控亚基(AMPKβ)、PTEN和TSC2本身，使TSC活性增加，从而抑制mTORC1。

氨基酸

除了葡萄糖依赖的胰岛素释放外，由于饮食蛋白质的消化，导致血清氨基酸水平的增加。由于氨基酸不仅是蛋白质的基本组成部分，也是许多其他代谢途径的能量和碳的来源，mTORC1的激活与饮食引起的氨基酸浓度的变化紧密相连。

在理解mTORC1的氨基酸感应方面的一个突破是发现了作为mTORC1途径组成部分的异二聚体Rag GTP酶。Rag是RagA或RagB与RagC或RagD的强制性异源二聚体，通过与MP1、p14、p18、HBXIP和C7ORF59组成的五聚体Ragulator复合物结合而被拴在溶酶体膜上。氨基酸刺激使Ragulator转化为活性核苷酸结合状态，使其能够结合Raptor并招募mTORC1到溶酶体表面，Rheb也位于此。因此，这种途径结构形成了一个AND门，即只有当Rags和Rheb都被激活时，mTORC1信号才会被激活，这也解释了为什么mTORC1的激活需要生长因子和氨基酸。

尽管有这些见解，但直到最近，mTORC1上游的直接氨基酸传感器的身份仍然难以确定。现在很清楚，mTORC1通过不同的机制感知溶酶体内和细胞膜上的氨基酸。溶酶体腔内的氨基酸通过一种依赖于溶酶体v-ATP酶的机制改变Rag的核苷酸状态，该机制与Ragulator-Rag复合物相互作用，促进Ragulator对RagA/B的鸟嘌呤核苷酸交换因子（GEF）活性。溶酶体氨基酸转运体SLC38A9与Rag-Ragulator-v-ATPase复合物相互作用，并且需要精氨酸来激活mTORC1，使其有希望成为溶酶体氨基酸传感器的候选复合物。

细胞膜上的亮氨酸和精氨酸通过一个由GATOR1和GATOR2复合体组成的不同途径向mTORC1发出信号。GATOR1由DEPDC5、Nprl2和Nprl3组成，通过充当RagA/B的GAP来抑制mTORC1信号的传递。最近发现的KICSTOR复合物（由Kaptin、ITFG2、C12orf66和SZT2组成）将GATOR1拴在溶酶体表面，是营养物质适当控制mTORC1途径的必要条件。相反，GATOR2是一个由Mios、WDR24、WDR59、Seh1L和Sec13组成的五元复合体，是mTORC1信号的正向调节器，与GATOR1在溶酶体膜上相互作用。

Sestrin2是一种GATOR2相互作用的蛋白，在氨基酸匮乏的情况下抑制mTORC1的信号传导，这是对细胞膜氨基酸感应机制的一个重要认识。随后的生化和结构分析表明，Sestrin2是mTORC1上游的一个直接的亮氨酸传感器，在没有亮氨酸的情况下结合并抑制GATOR2的功能，并在亮氨酸结合后与其解离。此外，Sestrin2对亮氨酸的亲和力决定了培养细胞中mTORC1信号传导对亮氨酸的敏感性，表明Sestrin2是这种情况下mTORC1的主要亮氨酸传感器。由于间质或细胞膜上的亮氨酸水平不明，体内亮氨酸浓度是否在相关范围内波动，以及在什么组织中波动，从而被Sestrin2感知，仍有待观察。有趣的是，最近的另一项研究发现，Sestrin2在长期氨基酸饥饿时通过应激反应转录因子ATF4进行转录诱导，这表明Sestrin2既是一个急性白氨酸传感器，也是长期氨基酸饥饿的间接媒介。

细胞膜上的精氨酸也通过GATOR1/2-Rag途径激活mTORC1，直接与最近发现的精氨酸传感器CASTOR1（细胞精氨酸mTORC1的传感器）结合。与Sestrin2非常相似，CASTOR1在没有精氨酸的情况下结合并抑制GATOR2，并在精氨酸结合后解离，使mTORC1得到激活。因此，亮氨酸和精氨酸至少有一部分是通过释放GATOR2的抑制因子来刺激mTORC1的活性，从而使GATOR2成为氨基酸与mTORC1信号传递的中心节点（图3）。然而，重要的是，GATOR2的分子功能以及Sestrin2和CASTOR1调节它的机制尚不清楚。

最近还报道了氨基酸调节mTORC1信号的其他机制，包括确定Folliculin-FNIP2复合物是RagC/D的GAP，在有氨基酸的情况下激活mTORC1。另一项研究发现，氨基酸谷氨酰胺是增殖细胞利用的氮和能量来源，它通过相关的Arf家族GTP酶独立于Rag GTP酶激活mTORC1。最后，最近的一份报告发现，小多肽SPAR与v-ATP酶-Ragulator复合物相关联，以抑制mTORC1被招募到溶酶体，但这是如何发生的尚不清楚。

mTORC2的上游

与mTORC1相反，mTORC2主要是作为胰岛素/PI3K信号传导的效应器（图2A）。与大多数PI3K调节蛋白一样，mTORC2亚基mSin1含有一个磷酸肌酸结合的PH结构域，对胰岛素依赖性调节mTORC2活性至关重要。mSin1的PH结构域在没有胰岛素的情况下抑制mTORC2的催化活性，当与质膜上的PI3K生成的PIP 3结合时，这种自我抑制就会解除。mSin1也可以被Akt磷酸化，这表明存在一个正反馈回路，Akt的部分激活促进了mTORC2的激活，反过来，mTORC2会磷酸化并完全激活Akt。另一项研究发现，PI3K促进mTORC2与核糖体的结合以激活其激酶活性，尽管其机制基础尚不清楚。

出人意料的是，由于mTORC1和胰岛素/PI3K信号之间存在负反馈回路，mTORC2信号也受到mTORC1的调控。mTORC1磷酸化并激活Grb10, Grb10是Akt和mTORC2上游胰岛素/IGF-1受体信号的负调控因子，而S6K1也通过磷酸化依赖性胰岛素受体底物1 (IRS1)的降解抑制mTORC2的激活。这种由mTORC1对PI3K和mTORC2信号的负反馈调节对mTOR在疾病中的药理靶向有许多意义。

参考文献：Saxton RA, Sabatini DM. mTOR Signaling in Growth, Metabolism, and Disease. Cell. 2017 Apr 6;169(2):361-371.