научная статья по теме КИНАЗА MTOR: РЕГУЛЯЦИЯ, РОЛЬ В ПОДДЕРЖАНИИ КЛЕТОЧНОГО ГОМЕОСТАЗА, РАЗВИТИИ ОПУХОЛЕЙ И СТАРЕНИИ (ОБЗОР) Химия

Текст научной статьи на тему «КИНАЗА MTOR: РЕГУЛЯЦИЯ, РОЛЬ В ПОДДЕРЖАНИИ КЛЕТОЧНОГО ГОМЕОСТАЗА, РАЗВИТИИ ОПУХОЛЕЙ И СТАРЕНИИ (ОБЗОР)»

БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 2, с. 128 - 143

УДК 577.522

КИНАЗА mTOR: РЕГУЛЯЦИЯ, РОЛЬ В ПОДДЕРЖАНИИ КЛЕТОЧНОГО ГОМЕОСТАЗА, РАЗВИТИИ ОПУХОЛЕЙ

И СТАРЕНИИ

Обзор

© 2014 А.А. Пархитько1*, О.О. Фаворова2, Д.И. Хабибуллин3, В.Н. Анисимов4, Э.П. Хенске3

1 Department of Genetics, Harvard Medical School, 02115, Boston, Louis Pasteur Avenue, 77; E-mail: parhitko@mail.ru

2 Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова, кафедра молекулярной биологии и медицинской биотехнологии, 117997 Москва, ул. Островитянова, 1; факс: (495)434-6129

3 Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School. 02115, Boston, Blackfan Circle, 1; fax: (617)355-9016

4 НИИ онкологии им. Н.Н. Петрова Минздрава РФ, 197758 Санкт-Петербург, пос. Песочный, ул. Ленинградская, 68; факс: (812)436-9567

Поступила в редакцию 20.10.13 После доработки 19.11.13

Серин/треониновая протеинкиназа (mTOR) регулирует поддержание клеточного гомеостаза, координируя процессы транскрипции, трансляции, метаболизма и аутофагии с наличием аминокислот, ростовых факторов, АТФ и кислорода. Киназа mTOR входит в состав двух комплексов: mTORC1 и mTORC2, различающихся по составу и регулирующих различные процессы клеточной жизнедеятельности. Неконтролируемая активация киназы mTOR наблюдается в клетках большинства опухолей, а также при диабете, нейродегенера-тивных и других заболеваниях. В настоящее время ингибиторы киназного комплекса mTORC1 проходят клинические испытания. В обзоре рассматриваются различные аспекты регуляции киназных комплексов mTORC1 и mTORC2, роль этих комплексов в регуляции белкового синтеза, метаболизма и аутофагии, а также использование ингибиторов mTOR для лечения опухолевых заболеваний и замедления старения.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: серин/треониновая протеинкиназа mTOR, mTORC1, mTORC2, рапамицин, аутофа-гия, метаболизм, гомеостаз, лечение опухолевых заболеваний, старение.

Высококонсервативная серин/треониновая протеинкиназа mTOR (mechanistic target of rapamycin, механистическая мишень для рапа-мицина; ранее — mammalian target of rapamycin, мишень для рапамицина у млекопитающих, с тем же сокращением) принадлежит к семейству фосфатидилинозитолкиназ PIKK (phosphatidyl inositol 3'-kinase-related kinases), к которому также относятся киназы ATM, ATR, DNA-PK и hSMGl, и является ключевым ферментом mTOR-сигнального пути, регулирующего накопление клеточной массы у многих эукариот. Открытие киназы mTOR произошло в результате изучения противогрибкового агента — рапамицина, кото-

Принятые сокращения: mTORCl, mTORC2 — ки-назные комплексы.

* Адресат для корреспонденции.

рый в настоящее время широко используется как иммунодепрессант и противоопухолевый препарат (коммерческое название: сиролимус) [1, 2].

В качестве каталитической субъединицы mTOR входит в состав двух функционально различных гетероолигомерных комплексов mTORCl и mTORC2 (рис. 1). В состав киназного комплекса mTORCl входят следующие белки: mTOR, raptor (regulatory associated protein of mTOR), mLST8 (mammalian lethal with sec-13), PRAS40 (proline-rich AKT substrate 40 kDa), Deptor (DEP-domain-containing mTOR-interacting protein), Ttil (KIAA0406) и Tel2 (telomere maintenance 2). Белок raptor ответственен за сборку mTORCl, доставку к нему субстратов для фосфорилирова-ния, а также определяет внутриклеточную локализацию комплекса. Роль белка mLST8 в функ-

ционировании mTORCl не понятна, так как инактивация белка не приводит к изменению активности mTORCl ни in vitro, ни in vivo [3]. Белки PRAS40 и deptor ингибируют активность комплекса mTORCl; при активации комплекса происходит их фосфорилирование киназой mTOR и последующая диссоциация [4—8]. Комплекс Tti1/Tel2 входит в состав mTORCl и mTORC2, а также всех фосфатидилинозитолки-наз семейства PIKK, оказывая стабилизирующее действие [9, 10]. Yip и др. [11], используя криоэлектронную микроскопию, определили трехмерную структуру собранного комплекса mTORC1 человека, показав, что он представляет собой димер, продолжительное инкубирование которого с комплексом рапамицин—FKBP12 приводит к нарушению структуры mTORC1. FKBPs, или FК506-связывающие белки, представляют собой семейство иммунофилинов — ре-цепторных белков, которые были первоначально идентифицированы как агенты, связывающие структурно сходные иммунодепрессанты FK506 и рапамицин. Последний сначала связывается с белком FKBP12, после чего комплекс рапамицин—FKBP12 ассоциируется с FKBP12— рапамицин-связывающим доменом киназы mTOR. Позже было показано, что рапамицин может связываться вместо FKBP12 и с другими FKBP белками (например, с FKBP52 [12], а также с FKBP12.6, FKBP13, FKBP25 и FKBP51 [13]) и оказывать mTOR-независимое воздей-

ствие на клеточные функции. Помимо регуляции киназы mTOR, белки FKBP12 влияют на функцию натриевых и кальциевых каналов через связывание рианодиновых (ryanodine) рецепторов [14, 15]. В более позднем исследовании [16] Yang и др. кокристаллизовали карбок-си-терминальную часть mTOR вместе с белком mLST8 и показали, что mTOR обладает постоянно активным каталитическим центром, а ее активность регулируется доступностью субстрата. Комплекс FKBP12—рапамицин ингибирует киназу mTOR напрямую, через ограничение доступа субстрата к каталитическому центру.

В отличие от mTORC1, в состав mTORC2 вместо белка raptor входит белок rictor, который конкурирует с белком raptor за связывание с киназой mTOR. В его состав входят также белки mSIN1 и protor-1/PRR5. Белок mSIN1 стабилизирует mTORC2, тогда как protor-1 не требуется для его активности [17]. В отличие от ситуации с mTORC1, белок mLST8 требуется для поддержания киназной активности mTORC2 in vitro и in vivo [3]. Белок deptor также ингибирует активность mTORC2.

В клетке рапамицин связывается с цитозоль-ным белком FKBP12, после чего комплекс рапамицин—FKBP12 напрямую взаимодействует с киназой mTOR и блокирует ее активность [18]. Изначально считалось, что рапамицином инги-бируется только mTORC1, тогда как mTORC2 относительно нечувствителен к нему и ингиби-

Рис. 1. Белковый состав киназных комплексов mTORCl и mTORC2. В состав mTORCl входят белки mTOR, Raptor, mLST8, DEPTOR, PRAS40, Tel2 и Ttil. mTORCl регулирует процессы белкового синтеза, метаболизма и аутофагию. В состав киназного комплекса mTORC2 входят белки mTOR, Rictor, Deptor, Protor/PPR5, mLST8, Sinl, Tel2 и Ttil. mTORC2 регулирует процессы организации цитоскелета и апоптоза

руется только после длительного инкубирования клеток некоторых линий с рапамицином [19]. Недавно, однако, было показано, что и активность mTORCl не полностью ингибируется рапамицином; в клетках эмбриональной почки человека HEK293 рапамицин блокирует фосфо-рилирование mTORCl киназы S6K1, тогда как практически не ингибирует фосфорилирование белков 4E-BP1 [20]. До недавнего времени было непонятно, почему рапамицин эффективен в ингибировании фосфорилирования одних мишеней (S6K) и малоэффективен при ингибиро-вании фосфорилирования других мишеней (4E-BP1). Kang и др. [21] синтезировали различные пептиды, содержащие возможные mTORO-за-висимые сайты фосфорилирования, и определили эффективность их фосфорилирования mTORC1. В результате авторы показали, что аминокислотный состав сайта фосфорилирова-ния для mTORC1 является ключевой детерми-нантой того, насколько данный сайт реагирует на наличие/отсутствие в среде ростовых факторов, аминокислот или воздействие рапамицина.

Мыши с инактивацией обоих аллелей гена mTOR погибают на ранней стадии эмбрионального развития (эмбриональные дни 5,5—6,5) [22, 23]. Инактивация обоих аллелей генов, кодирующих специфические компоненты mTORC1 (ген Raptor, кодирующий raptor) и mTORC2 (ген Rictor, кодирующий одноименный белок), также приводит к гибели эмбрионов на ранней стадии развития, что подтверждает значимость обоих комплексов для развития организма in vivo [3].

СУБСТРАТЫ КОМПЛЕКСА mTORC1

Основная функция киназного комплекса mTORCl — фосфорилирование, в ответ на сигналы внешней среды, широкого спектра эффекторов, регулирующих процессы белкового синтеза, транскрипции, клеточного деления, апоп-тоза и метаболизма [24, 25] (рис. 2). При наличии в среде ростовых факторов и питательных веществ mTORCl регулирует процессы трансляции или через прямое фосфорилирование факторов 4E-BP (initiation factor 4E-binding proteins) и киназ семейства S6, или в результате стимулирования трансляции мРНК, кодирующих большинство белковых компонентов трансляционного аппарата. Эти мРНК относятся к т.н. 5'-TOP мРНК — большому классу мРНК, содержащих на своем 5'-конце относительно короткие не-транслируемые области с участками, богатыми пиримидиновыми основаниями. В нефосфори-лированном состоянии 4E-BPs связывают фактор инициации трансляции eIF-4E и препят-

ствуют его взаимодействию с фактором инициации eIF-4F. В результате фосфорилирования комплексом mTORC1 факторов 4E-BP происходит инактивация последних, и образуется функциональный комплекс инициации трансляции. Киназы S6 (S6K1 и S6K2), которые фосфорили-руются и активируются комплексом mTORC1, активируют процессы трансляции через фосфорилирование белков SKAR, PDCD4, eEF-2K, eIF4B и рибосомального белка S6 [26].

Механизм, с помощью которого mTORC1 регулирует трансляцию 5'-TOP мРНК, в настоящее время точно не известен. Thoreen и др. [27] провели анализ механизма контроля трансляции mTORC1 и показали, что практически все мРНК, которые им регулируются, содержат в своем составе 5'-TOP или сходный с ним мотив. Они также показали, что регуляция этого типа зависит от фосфорилирования факторов 4E-BP. Помимо этого, mTORC1 фосфорилирует и ин-гибирует репрессор полимеразы III — белок MAF1, в результате чего происходит активация синтеза 5S рРНК и тРНК [28, 29]. mTORC1 также стимулирует белковый синтез с помощью активации белка TIF-1A, который взаимодействует с РНК-полимеразой-I и способствует экспрессии рРНК [30].

РЕГУЛЯЦИЯ АУТОФАГИИ

Помимо регуляции процессов трансляции, комплекс mTORCl регулирует процессы катаболизма, являясь одним из центральных регуляторов аутофагии (рис. 2). Аутофагия (от греческого auto — само и phagos — поедать) — осно

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.

Показать целиком