= ОБЗОРЫ =
УДК 577.152.27+577.151.63
РОЛЬ mTOR В РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЗМА СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ © 2014 г. Н. Д. Гольберг1, А. М. Дружевская1, В. А. Рогозкин1, И. И. Ахметов1,2
1Санкт-Петербургский НИИ физической культуры 2Поволжская государственная академия физической культуры, спорта и туризма, Казань
E-mail: ndgolberg@gmail.com Поступила в редакцию 15.07.2013 г.
Фермент mTOR относится к семейству серин/треонин специфических протеинкиназ. mTOR играет важную роль в передаче внеклеточных сигналов через фосфорилирование многочисленных субстратов в различных метаболических реакциях организма человека. Белок mTOR, обладающий про-теинкиназной активностью, кодируется геном FRAP1, который локализован в хромосоме 1 (1р36.2). В скелетных мышцах mTOR существует в двух белковых комплексах — mTORCl и mTORC2, — различающихся чувствительностью к ингибиторному эффекту рапамицина. mTOR регулирует метаболизм в скелетных мышцах путем фосфорилирования различных ферментов белкового обмена, а также факторов транскрипции и трансляции. Экспрессия mTOR происходит в ответ на изменение метаболических запросов мышечной клетки и приводит к усилению метаболизма белков. Исследования последних лет свидетельствуют о важной роли mTOR в регуляции внутриклеточного метаболизма, прежде всего на этапах инициации и трансляции синтеза мышечных белков. Все это и указывает на необходимость рассмотрения современного состояния знаний об участии фермента mTOR в регуляции физиологической функции в скелетных мышцах.
Ключевые слова: mTOR, фосфорилирование белков, регуляция синтеза белков.
DOI: 10.7868/S0131164614040079
В регуляции метаболизма скелетных мышц каскады фосфорилирования являются универсальным механизмом контроля важнейших биохимических процессов, связанных с развитием, дифференцировкой, трансформацией, гипертрофией и атрофией клеток. Фосфорилирование белков — обратимая посттрансляционная модификация, которая играет ключевую роль в процессах метаболизма. Баланс между активацией и дезактивацией сигнальных путей очень сложный и регулируется не только через фосфорилирова-ние киназами, но и через процесс дефосфорили-рования, осуществляемый фосфатазами.
Среди различных протеинкиназ, регулирующих внутриклеточный метаболизм, таких как AMPK, Akt, p38MAPK, PGC-1a, функции фермента mTOR ограничены фосфорилированием белков, участвующих в многочисленных анаболических реакциях скелетных мышц.
Цель настоящего обзора — анализ структуры протеинкиназы mTOR, описание механизмов фос-форилирования белков посредством протеинкиназ и роли опосредованной ими передачи сигналов в биохимических процессах, происходящих в скелетных мышцах во время физических нагрузок различной интенсивности и длительности.
СТРУКТУРА БЕЛКА mTOR
Белок mTOR, обладающий протеинкиназной активностью, у человека кодируется геном FRAP1, который локализован в хромосоме 1 (1р36.2). Фермент mTOR относится к серин/треонин специфическим протеинкиназам (EC 2.7.11.1) — PIKK ки-назам. Белок экспрессируется во многих тканях и принимает активное участие в регуляции метаболических реакций в скелетных мышцах, связанных с их гипертрофией и атрофией.
mTOR имеет молекулярную массу 288.892 Да, содержит 2549 аминокислотных остатков и разделен на несколько функциональных доменов (рис. 1).
В N-терминальном домене mTOR расположены 22 тандемных HEAT-повторов антипараллельных a-цепей. С-терминальный домен содержит FAT (FRAP-atoxia-tolangrectasa, трансформационный/трансляционный) домен. Рядом с ним расположен домен FRB ^КВР12^К506-связы-вающий белок) 12 кДа, связывающий рапамицин (RAPA). Между доменами FRB и FATC располагается каталитический киназный домен, который содержит участок, связывающий аденозинтри-фосфат (АТФ). В молекуле mTOR имеется 38 гид-роксильных групп аминокислот серина, треонина и тирозина. Пять из них способны подвергать-
mTOR S6K1
ц) ... тт ^^
P P и
к1ен киназ^ н
2549
HEAT повторы 25T RaPa
FKBP12
Рис. 1. Структура доменов mTOR и участки фосфорилирования [1].
ся фосфорилированию и дефосфорилированию, что приводит к конформационным модификациям структуры белка и сопровождается увеличением или понижением активности фермента [1].
В скелетных мышцах mTOR существует в двух белковых комплексах mTORC1 и mTORC2, различающихся чувствительностью к ингибиторно-му эффекту рапамицина. TORC1 содержит каталитическую субъединицу mTOR и четыре бел-^raptor — положительный регулятор, PRAS40 и deptor, участвующие в отрицательной регуляции, и mLST8. Белок raptor служит скелетом белкового комплекса и регулирует выбор субстрата.
Белок PRAS40 (40 кДа) является субстратом Akt и содержит 256 аминокислот и два богатых пролином участка, которые располагаются между 36—41 и 76—96 аминокислотными остатками. В молекуле белка имеется девять гидроксильных групп серина и треонина, которые фосфорилиру-ются mTORC1, и одна группа треонина Thr246, которая фосфорилируется ферментом Akt [2, 3]. В дальнейшем было установлено, что фермент Akt также связывается с белками 14-3-3 и mTORC1 [4]. Кроме того, фосфорилирование PRAS40 происходит после присоединения к mTORC1, что способствует образованию белкового комплекса PRAS40/14-3-3 [5, 6]. В результате фосфорилирования белки PRAS40 и raptor диссоциируют от комплекса mTORC1 и ингибиторное действие PRAS40 ослабевает [7].
mTORC2 содержит регуляторный белок rictor, белки mSIN1, protor, mLST8 и негативный регулятор deptor. Этот ферментный комплекс способен фосфорилировать многие белки. Среди них важное место занимает Akt, полностью активируемый при фосфорилировании гидроксильной группы Ser473 [8]. Активированный фермент Akt участвует в ряде метаболических реакций, в которых в качестве субстратов выступают mTORC1, киназа гликогенсинтазы-3 (GSK3) и представители семейства транскрипционных факторов FOXO [1, 9, 10].
Благодаря широкой субстратной специфичности mTOR участвует во многих клеточных процессах, которые включают регуляцию размеров
клетки, мРНК-трансляцию, биогенез митохондрий и рибосом, синтез липидов, транспорт веществ внутри клетки и аутофагию [11, 12].
МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ шТОЯ
Основная функция шТОЯ заключается в фосфорилировании двух главных регуляторов трансляции шРНК и биогенеза рибосом — S6K1 (р70 рибосомальной S6 протеинкиназы) и 4Е-ВР1 (е1Б4Е-связывающего белка). В активном состоянии шТОЯС1 фосфорилирует эукариотический фактор инициации трансляции 4Е-связвающий белок 1(4Е-ВР1) по аминокислотным остаткам треонина ТЪг37/46. Это вызывает диссоциацию 4Е-ВР1 от регулирующего трансляцию белкового комплекса е1Б4Е. В результате образуется активный комплекс е1Б4Е, включающий е1Б4Е с 7-ме-тилгуанозин кеп-структурой и е1Б40, связывающий мРНК и рибосому, с участием полиА-связы-вающего белка (РАВР) и 48S комплекса. шТОЯС1 фосфорилирует фермент S6K1 по аминокислотным остаткам ТИг389. Для полной активации S6K1 необходимо также фосфорилирование ТЬг229, катализируемое фосфоинозитид-зависи-мой киназой (РDK1).
Регуляция активности шТОЯ в скелетных мышцах происходит с участием сигнальных путей инсулин/ЮБ1, Я^/РЖ, ферментов АМР^ ЕЯ^ РА10, PLD, фосфатидной кислоты (РА), смеси аминокислот и в первую очередь лейцина, механического растяжения мышц и силовых физических нагрузок. Роль этих факторов изучалась на разных моделях, как при индивидуальном воздействии, так и в сочетании ряда воздействий. В конечном итоге все они могут рассматриваться как потенциальные регуляторы, способные активировать шТОЯС1 и усиливать каталитическую активность фермента, что приводит к повышению синтеза белков в скелетных мышцах.
Инсулин/Р13К-сигнальный путь. Этот сигнальный путь можно рассматривать как хорошо изученный активатор шТОЯ. Связывание инсулина или инсулиноподобного фактора роста с родственным рецептором на поверхности клетки приводит к фосфорилированию фосфоинозитид-
ФИЗИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА
/
ФАКТОРЫ РОСТА IGF1, MGF, MSTN
АМИНОКИСЛОТЫ
СИНТЕЗ БЕЛКОВ
Рис. 2. Участие шТОЯ в регуляции синтеза белков в скелетных мышцах.
3-киназы (PI3K), которая катализирует синтез липида PIP3. В дальнейшем липид взаимодействует с белком Akt через PH-домен и помогает осуществить присоединение Akt к мембране, где происходит фосфорилирование фермента по аминокислотным остаткам Ser473 и Thr308 [13]. Фосфорилирование этих двух аминокислот необходимо для полной активации Akt. Затем Akt фос-форилирует TSC2 по Ser939 и Thr1462, что вызывает подавление ингибирующего эффекта комплекса TSC1-TSC2 и усиливает активность mTORC1 [14]. Далее Akt фосфорилирует PRAS40 по Ser246 и тем самым устраняет ингибирующее влияние комплекса raptor-PRAS40, что также способствует повышению активности mTORC1 [4]. Активируемый инсулином mTOR проводит аутофосфорилирование по Ser2481 внутри комплексов mTORC1 и mTORC2. Это фосфорилиро-
вание контролирует каталитическую активность mTOR комплексов [15]. Фосфорилирование mTOR и таких компонентов по белковому комплексу, как raptor, rictor, deptor и PRAS40, способствует усилению активности mTORC1 и mTORC2. Так, фосфорилирование mTOR по Ser1261, Ser2159 и Thr2164 повышает активность mTORC1 и рост клеток [16]. mTOR, RSK и ERK (внеклеточная сигнальная киназа) фосфорилируют raptor, тогда как Akt и mTOR фосфорилируют PRAS40, что повышает активность mTORC1 [4, 17, 18]. Участие mTOR в процессах регуляции синтеза белков в скелетных мышцах включает несколько этапов и зависит от сигналов, поступающих от IGF1 и передаваемых на mTOR через протеинки-назы PI3K и PDK (IGF1 - PI3K/PDK - mTOR) (рис. 2). Как показали недавние исследования, активация пути PI3K/PDK вызывает увеличение
активности mTOR в скелетных мышцах, что приводит к индуцированной гипертрофии [19]. Сигнальный путь IGF1/PI3K/Akt рассматривается как ключевой регулятор нормального развития мышц и является одной из наиболее изученных молекулярных систем, а IGF1, связываясь с рецептором, приводит к активации аденилатцик-лазного каскада, вследствие чего и фосфорилиру-ется фермент PI3K, который активирует Akt.
Ras/MAPK-сигнальный путь. Комплекс мито-ген-активируемая киназа/внеклеточная сигнальная киназа (MEK/ERK) регулирует активность mTORC1 через туберозно-склерозный
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.