Кіріспе

Адамда кездесетін сүтқоректілер ақуызы Рапамициннің сүтқоректілердегі нысанасы (mTOR), сондай-ақ рапамициннің механикалық нысанасы деп те аталады, кейде FK506 байланыстырушы ақуыз 12, рапамицинмен байланысты ақуыз 1 (FRAP1) деп аталады – бұл адамда MTOR генімен кодталатын киназа. mTOR фосфатидил инозитол 3-киназаға қатысты протеинкиназалар отбасының мүшесі. mTOR басқа ақуыздармен байланысады және екі ерекше ақуыз кешенінің – mTOR кешені 1 және mTOR кешені 2 – негізгі құралы болып табылады, олар жасушалық процестерді реттейді. mTORC2 негізгі құралы ретінде mTOR инсулин рецепторлары мен инсулинге ұқсас өсу факторы 1 рецепторларын белсендіруге көмектесетін тирозин протеинкиназасы ретінде де жұмыс істейді. mTORC2 актин цитоскелетін бақылау және сақтауда да маңызды рөл атқарады. Дегенмен, алғашқы сынақтар рапамициннің күшті иммунодепрессивті және цитостатикалық қатерлі ісікке қарсы әрекет ететінін көрсетті. Рапамицинге фармацевтикалық индустриядан 1980 жылдарға дейін, Уайет Айерст Сегалдың иммундық жүйеге рапамициннің әсерін одан әрі зерттеуге қолдау көрсеткен кезде көп көңіл бөлген жоқ. Бұл оның бүйрек трансплантациясынан кейін иммунодепрессант ретінде FDA мақұлдауына әкелді. Алайда, FDA мақұлдауына дейін рапамициннің қалай жұмыс істейтіні толығымен белгісіз болды.

Кейінгі тарихы

TOR және mTOR-дың ашылуы 1991 жылы Джозеф Гейтман, Рао Мова және Майкл Н. Холлдың рапамицин табиғи өнімінің тәуелсіз зерттеулерінен туындады; сондай-ақ Дэвид М. Сабатини, Хедие Эрджюмент Бромедж, Мэри Луи, Пол Темпст және Соломон Х. Снайдердің жұмыстары да осыған себеп болды. Дегенмен, сүтқоректілерде FKBP12-рапамицин кешенінің молекулалық нысанасы белгісіз болды. 1994 жылы Стюарт Л. Шрайбер, Соломон Х. Снайдер және Роберт Т. Абрахам зертханаларындағы зерттеушілер FKBP12-рапамицинмен тікелей өзара әрекеттесетін белокты тәуелсіз түрде ашты, ол ашытқыдағы TOR/DRR гендерімен гомологиясының арқасында mTOR деп аталды. Осылайша, ол мүшелерді трансплантациялаудан кейін иммунодепрессант ретінде қолданылады. Рапамицинге деген қызығушылық 1987 жылы құрылымдық тұрғыдан ұқсас иммунодепрессивті табиғи өнім FK506 ашылғаннан кейін қайта жанданды. 1989-90 жылдары FK506 және рапамициннің T-клетка рецепторларының (TКР) және IL-2 рецепторларының сигналдық жолдарын тежейтіні анықталды. Екі табиғи өнім FK506 және рапамицин байланыстыратын ақуыздарды, соның ішінде FKBP12-ні анықтау үшін, сондай-ақ FKBP12-FK506 және FKBP12-рапамициннің әртүрлі жасушалық функцияларды бағыттайтын механизмдер арқылы әрекет етуі мүмкін екенін көрсету үшін пайдаланылды. Бұл зерттеулерге Мерк компаниясындағы Фрэнсис Дюмонт және Нолан Сигалдың маңызды зерттеулері кірді, олар FK506 және рапамициннің өзара антагонисттер ретінде әрекет ететінін көрсетуге көмектесті. Бұл зерттеулер FKBP12-ні рапамициннің ықтимал нысанасы ретінде көрсетті, бірақ кешеннің механикалық каскадтың басқа элементімен өзара әрекеттесуі мүмкін екенін ұсынды. 1991 жылы кальцинеурин FKBP12-FK506 нысанасы ретінде анықталды. FKBP12-рапамицин нысанасы генетикалық және молекулалық зерттеулер ашытқыда рапамициннің нысанасы ретінде FKBP12-ні анықтағанға дейін құпия болып қалды, содан кейін 1991 және 1993 жылдары FKBP12-рапамицин нысанасы ретінде TOR1 және TOR2 анықталды, ал 1994 жылы бірнеше тәуелсіз топтар сүтқоректілер тіндеріндегі тікелей нысанасы ретінде mTOR киназасын ашты. "mTOR" бастапқыда "рапамициннің сүтқоректілердегі нысанасы" дегенді білдірді, бірақ кейін "m" мағынасы "механикалық" деп өзгертілді. Сол сияқты, кейінгі жаңалықтарға байланысты зебра балығының TOR-ы zTOR, Arabidopsis thaliana TOR-ы AtTOR, ал Drosophila TOR-ы dTOR деп аталды. 2009 жылы FRAP1 генінің атауын HUGO Гендік номенклатура комитеті (HGNC) ресми түрде mTOR деп өзгертті, бұл рапамициннің механикалық нысанасы дегенді білдіреді. TOR-дың ашылуы және одан кейінгі mTOR-дың анықталуы қазір mTOR жолы деп аталатын молекулалық және физиологиялық зерттеуге есік ашты және химиялық биология саласының өсуіне катализаторлық әсер етті, онда кішкентай молекулалар биологияның зерттеу құралдары ретінде қолданылады.

mTORC1

mTOR кешені 1 (mTORC1) mTOR, mTOR-мен байланысты реттеуші белок (Raptor), SEC13 белдеуі 8-ге (mLST8) ие сүтқоректілердегі өлімге әкелетін белок және негізгі емес компоненттер PRAS40 және DEPTOR-дан тұрады. Бұл кешен қоректік заттарды, энергияны және тотығу-қайта тотығу күйін сезетін сенсор ретінде жұмыс істейді және белок синтезін бақылайды.

mTORC2

mTOR кешені 2 (mTORC2) MTOR, MTOR (RICTOR) рапамицинге сезімтал емес серігі, MLST8 және сүтқоректілердің стресс-активтелген протеинкиназамен өзара әрекеттесетін протеин 1 (mSIN1) құрамынан тұрады. mTORC2 актин цитоскелетінің маңызды регуляторы болып табылады және F-актин стресс талшықтарын, паксиллинді, RhoA, Rac1, Cdc42 және протеинкиназа C α (PKCα) стимуляциялау арқылы оның қызметін атқарады. mTORC2 арқылы Акт-тың Ser473 серин қалдығының фосфорилирленуі, PDK1 арқылы Thr308 треонин қалдығында Акт-тың фосфорилирленуін күшейтеді және Акт-тың толыққанды белсенділігіне алып келеді. Сонымен қатар, mTORC2 тирозин протеинкиназа активтілігін көрсетеді және тирозин қалдықтары Tyr1131/1136 және Tyr1146/1151 бойынша инсулиндік өсу факторына ұқсас 1 рецепторын (IGF 1R) және инсулин рецепторын (InsR) фосфорилирлейді, бұл IGF IR және InsR толық белсенділігіне әкеледі. Бұл препараттың көптеген пайдалы әсерлерін (жануарлар зерттеулерінде өмір сүру ұзақтығын ұзартуды қоса алғанда) қамтамасыз етеді. Инсулинге қарсы тұруды басудағы сиртуиндердің ролі осы әсердің кем дегенде бір бөлігін құрайды. Сиртуин-3 функциясының бұзылуы митохондриялық дисфункцияға алып келеді. Рапамицин mTORC2-ге күрделі әсер етеді, тек ұзақ уақыт әсер еткен кезде және белгілі бір жасуша түрлерінде ғана оны тежейді. mTORC2 функциясының бұзылуы қант диабетіне ұқсас глюкозаға төзімділіктің төмендеуіне және инсулинге сезімталдықтың жоғалуына әкеледі.

Генді өшіру эксперименттері

mTORC2 сигналдық жолы mTORC1 сигналдық жолына қарағанда нашар анықталған. mTORC кешендерінің құрауыштар функциялары нокдаун және нокауттар арқылы зерттелді және келесідей фенотиптерді тудыратыны анықталды: NIP7: Нокдаун mTORC2 субстраттарының фосфорилирленуінің төмендеуімен көрсетілген mTORC2 белсенділігін төмендетті. RICTOR: Жоғары экспрессия метастаздарға алып келеді, ал нокдаун өсу факторының ықпалымен туындаған PKC фосфорилирленуін тежейді. Егешқұйрықтарда Rictor-дың тұрақты жойылуы ұрықтық өлімге әкеледі, ал тіндік ерекше жойылуы әртүрлі фенотиптерге алып келеді; бауырда, ақ майлы тінде және панкреатикалық бета-жасушаларда Rictor-дың жойылуының ортақ фенотипі – бір немесе бірнеше тінде жүйелік глюкозаға төзбеушілік және инсулинге қарсы тұру. Тышқандарда Rictor экспрессиясының төмендеуі еркектердің, бірақ әйелдердің емес, өмір сүру ұзақтығын қысқартады. mTORC1 және mTORC2-нің PP242 [2 (4 Amino 1 isopropyl 1H pyrazolo[3,4 d]pyrimidin 3 yl) 1H indol 5 ol] арқылы тежелуі аутофагияға немесе апоптозға әкеледі; PP242 арқылы mTORC2-нің ғана тежелуі AKT-дегі Ser 473 сайтының фосфорилирленуіне кедерес келтіреді және жасуша циклінің G1 фазасында жасушаларды тоқтатады. Тышқандарда mTOR экспрессиясының генетикалық төмендеуі өмір сүру ұзақтығын айтарлықтай арттырады. PDK1: Нокаут өлімге алып келеді; гипоморфты аллель ағза көлемін және мөлшерін кішірейтеді, бірақ AKT белсенділігі қалыпты болады. AKT: Нокаут тышқандарда спонтанды апоптоз (AKT1), ауыр диабет (AKT2), кішкентай ми (AKT3) және өсу жетіспеушілігі (AKT1/AKT2) байқалады. AKT1 бойынша гетерозиготалық тышқандардың өмір сүру ұзақтығы артады. TOR1, mTORC1-дің S. cerevisiae ортологы, көміртек және азот метаболизмін реттейді; TOR1 KO штаммдары азоттың және көміртек қорының болуына жауапты, бұл ашытқыдағы маңызды нәрліктік түрлендіргіш екенін көрсетеді.

Қатерлі ісік

mTOR сигналының шамадан тыс белсенділігі ісіктердің басталуына және дамуына маңызды үлес қосады, ал mTOR белсенділігі көптеген қатерлі ісіктерде, соның ішінде сүт безі, простата, өкпе, меланома, көк шөлке, ми және бүйрек карциномаларында бұзылғандығы анықталды. Тұрақты белсенділіктің себептері бірнеше. Ең көп кездесетіндердің бірі – PTEN генінің мутациясы. PTEN фосфатазасы mTOR-дың үстінен әсер ететін PI3K әсеріне кедергі келтіріп, mTOR сигналдауын теріс бағыттайды. Сонымен қатар, PI3K немесе Akt белсенділігінің жоғарылауы салдарынан көптеген қатерлі ісіктерде mTOR белсенділігі де бұзылады. Сол сияқты, 4E BP1, S6K1, S6K2 және eIF4E төменгі ағыстағы mTOR эффекттерінің жоғары экспрессиясы қатерлі ісікке нашар жағдайға алып келеді. Сондай-ақ, mTOR белсенділігін тежейтін TSC ақуыздарының мутациялары туберкулездік склероз кешені деп аталатын жағдайға әкелуі мүмкін, ол қатерсіз зақымданулар түрінде көрінеді және бүйрек клеткалық карциномасының қаупін арттырады. mTOR белсенділігінің жоғарылауы клеткалық циклдың прогрессиясын және клеткалық көбеюді күшейтетіні, негізінен оның ақуыз синтезіне тигізетін әсері арқасында дәлелденді. Сонымен қатар, белсенді mTOR аутофагияны тежеу арқылы ісіктің өсуін жанама түрде де қолдайды. Тұрақты белсендірілген mTOR HIF1A трансляциясын арттыру және ангиогенезді қолдау арқылы карцинома жасушаларын оттегімен және қоректік заттармен қамтамасыз етеді. mTOR қатерлі жасушалардың өсу жылдамдығын арттыру үшін қажетті тағы бір метаболизмілік бейімделуіне де көмектеседі – гликолиттік метаболизмді белсендіреді. mTOR, атап айтқанда mTORC2 субстраты Akt2 гликолиттік фермент PKM2 экспрессиясын жоғары реттейді, осылайша Варбург эффектісіне үлес қосады.

Альцгеймер ауруы

mTOR сигнализациясы Альцгеймер ауруының (АА) патологиясымен бірнеше жағынан байланысты, бұл оның аурудың прогрессиясына үлес қосу мүмкіндігін көрсетеді. Жалпы алғанда, зерттеулер АА миында mTOR сигнализациясының жоғары белсенділігін көрсетеді. Мысалы, адам АА миының қарулы зерттеулерінде PTEN, Akt, S6K және mTOR дисрегуляциясы анықталды. mTOR сигнализациясы ерігіш бета-амилоид (Aβ) және тау ақуыздарының болуымен тығыз байланысты болып көрінеді, олар аурудың екі негізгі белгісін – Aβ плактары мен нейрофибрилляциялық түйіндерді қалыптастырады. In vitro зерттеулер Aβ PI3K/AKT жолын белсендіретінін, ал ол өз кезегінде mTOR-ды белсендіретінін көрсетті. Сонымен қатар, Aβ-ны N2K жасушаларына қосу mTOR-дың төменгі ағынындағы мақсаты болып табылатын және нейрофибрилляциялық түйіндерді дамытатын нейрондарда жоғары экспрессияланатын p70S6K экспрессиясын арттырады. 7PA2 тұқымдық АА мутациясымен трансфекцияланған қытай хомяғының жұмыртқа жасушалары да бақылау тобымен салыстырғанда жоғары mTOR белсенділігін көрсетеді, ал гипербелсенділік гамма-секретаза ингибиторын қолдану арқылы тоқтатылады. Бұл in vitro зерттеулер Aβ концентрациясының жоғарылауы mTOR сигнализациясын арттырады деген жорамалға негіздейді; алайда, жоғары цитотоксикалық Aβ концентрациясы mTOR сигнализациясын төмендетуі мүмкін деп есептеледі. In vitro зерттеулерден алынған деректерге сәйкес, mTOR белсенділігі және белсендірілген p70S6K АА жануарлар модельдерінің қабықшасы мен гиппокампында бақылау тобымен салыстырғанда айтарлықтай жоғары болды. АА жануарлар модельдерінде Aβ-ны фармакологиялық немесе генетикалық жолмен жою нормальды mTOR белсенділігінің бұзылуын жояды, бұл Aβ-ның mTOR сигнализациясына тікелей қатысы бар екенін көрсетеді. Осы нәтижелерді ескере отырып, mTOR сигнализациясы АА-да Aβ-индуцирленген токсикалық механизмдердің бірі болып көрінеді. Тау ақуыздарының нейрофибрилляциялық түйіндерге гиперфосфорилирленуі АА-ның бір белгісі болып табылады. p70S6K белсенділігі фосфорилдеуді арттыру және дефосфорилдеуді азайту арқылы түйіндердің қалыптасуын және mTOR гипербелсенділігін ынталандырады. Сондай-ақ, mTOR тау және басқа ақуыздардың трансляциясын арттыру арқылы тау патологиясына үлес қосады деп ұсынылған. Синаптикалық пластикалық қабілет – оқу мен есте сақтаудың негізгі факторы, бұл екі процесс АА науқастарында ауыр түрде бұзылады. Трансляциялық бақылау, яғни ақуыз гомеостазын сақтау, нейрондық пластикалық үшін маңызды екені дәлелденді және mTOR арқылы реттеледі. mTOR белсенділігі арқылы ақуыздың артық өндірілуі де, жеткіліксіз өндірілуі де оқу мен есте сақтау қабілетінің нашарлауына себеп болуы мүмкін. Сонымен қатар, mTOR белсенділігінің жоғарылауынан туындайтын кемшіліктерді рапамицинмен емдеу арқылы жеңілдетуге болатынын ескере отырып, mTOR синаптикалық пластикалық арқылы танымдық функцияға әсер етуде маңызды рөл атқарады деп болжауға болады. Нейродегенерациядағы mTOR белсенділігінің қосымша дәлелі mTOR жолының жоғары ағынындағы мақсаты eIF2α P ұзаққа созылған трансляциялық ингибиция арқылы прион ауруларында жасушалардың өліміне себеп болатынын көрсететін соңғы зерттеулерден алынған. Кейбір деректер mTOR-дың Aβ клиренсін төмендетудегі рөлін де көрсетеді. mTOR аутофагияның теріс регуляторы болып табылады; сондықтан mTOR сигнализациясының жоғары белсенділігі АА миында Aβ клиренсін азайтуы керек. Автофагияның бұзылуы АА сияқты протеиндердің дұрыс бүлінбеуіне байланысты аурулардың патогенезінің әлеуетті көзі болуы мүмкін. Хантингтон ауруының тышқан модельдерін қолдану зерттеулері рапамицинмен емдеудің хентингтин агрегаттарының клиренсін жеңілдететінін көрсетті. Мүмкін, дәл осындай емдеу Aβ жинақталуын тазарту үшін де пайдалы болуы мүмкін.

Лимфопролиферативтік аурулар

Гиперактивті mTOR жолдары аутоиммундық лимфопролиферативтік синдром (АЛПС), мультицентрлі Кастлеман ауруы және трансплантациядан кейінгі лимфопролиферативтік бұзылыс (ПТЛБ) сияқты кейбір лимфопролиферативтік ауруларда анықталды.

Белсендi синтездеу және жасушалардың өсуi

mTORC1 белсенділігі адамдарда физикалық жаттығуларға және белгілі бір аминқышқылдарының немесе аминқышқылдары туындыларын қабылдауға жауап ретінде миофибриллярлық бұлшық ет ақуызының синтезі мен қаңқа бұлшық еттерінің гипертрофиясы үшін қажет. Қаңқа бұлшық еттеріндегі mTORC1 сигналдауының тұрақты бұзылуы қарттық шақта бұлшық ет массасы мен күшінің жоғалуын, қатерлі ісік кахексиясын және физикалық бейқызметтіліктен туындаған бұлшық ет атрофиясын жеңілдетеді. mTORC2 белсенділігі дифференциацияланған егешкі нейро2а жасушаларында нейрит өсуін қамтамасыз етеді. β-гидрокси β-метилбутираттың префронталды нейрондардағы үзілісті mTOR активациясы жануарларда дендриттік қырқумен байланысты жасқа байланысты танымдық төмендеуді тежейді, бұл құбылыс адамдарда да байқалады.

Лизосомалық зақымдану mTOR- ді тежеп, автофагияны тудырады

Активті mTORC1 лизосомаларға орналасады. mTOR лизосомалық мембрананың әр түрлі экзогенді немесе эндогенді факторлармен зақымдануы кезінде тежеледі, мысалы, инвазиялық бактериялар, мембрана арқылы өтетін химиялық заттар осмотикалық белсенді өнімдерді тудырғанда (мұндай зақымдануды лизосомаларда полимерленетін мембрана арқылы өтетін дипептидтік прекурсорларды пайдалану арқылы модельдеуге болады), амилоидты ақуыз агрегаттары (жоғарыда Альцгеймер ауруы туралы бөлімді қараңыз) және цитоплазмалық органикалық немесе органикалық емес инклюзиялар, соның ішінде урат кристалдары мен кристалды кремний қышқылы. Бұл метаболикалық жауап. Лизосомалық зақымдану кезінде mTOR-дың тежелуі сапаны бақылау функциясы ретінде автофагиялық жауапты белсендіреді, нәтижесінде зақымдалған лизосомаларды жоятын лизофагия процесі жүзеге асырылады. Осы кезеңде тағы бір галектин, галектин 3, TRIM16-мен өзара әрекеттесіп, зақымдалған лизосомалардың таңдамалы аутофагиясын басқарады. Олардың көпшілігі ULK1 ATG13 кешені сияқты mTOR-дың тікелей теріс бақылауында болады, (ii) ULK1 ATG13 FIP200/RB1CC1 кешені ATG13-тің HORMA домені мен ATG14 арасындағы тікелей өзара әрекеттесу арқылы ATG14-ке қосылады, (iii) ATG16L1 WIPI2-мен өзара әрекеттеседі, ол PI3P-ге, III класты PI3K Beclin 1 VPS34 ATG14 ферменттік өніміне байланысады. Осылайша, mTOR инактивациясы (жоғарыда аталған автофагия жүйелерінің GALTOR Beclin 1 арқылы) және mTORC1-дің одан әрі инактивациясы автофагияның күшті индукциясына және зақымдалған лизосомаларды автофагиялық жолмен жоюға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, галектинмен басқарылатын процестермен қатар бірнеше типті убиквитинация оқиғалары жүреді және оларды толықтырады: TRIM16 ULK1 Beclin 1 убиквитинациясы жоғарыда сипатталғандай аутофагияны белсендіру үшін осы кешендерді тұрақтандырады. p62/SQSTM1 сияқты автофагиялық рецепторлар арқылы лизофагияның орындалуына да үлес қосуы мүмкін, ол лизофагия кезінде рекруттеледі. mTOR фиброздық аурулар мен аутоиммунитетте рөл атқарады, ал mTORC жолының блокадасы склеродермияны емдеу ретінде зерттелуде. Бұл факторлардың толық механизмі әлі анықталмаған, бірақ олар ісік ангиогенезін бұзады және G1/S өтуін бұзады деп есептеледі.

Қартаюға қарсы

mTOR ингибиторлары жасқа байланысты бірнеше жағдайларды емдеуге/алдын алуға пайдалы болуы мүмкін, соның ішінде Альцгеймер ауруы және Паркинсон ауруы сияқты нейродегенеративті аурулар. 65 жастан асқан егде жастағы емделген пациенттерде дактолизиб және эверолимус mTOR ингибиторларымен қысқа мерзімді емдеуден кейін бір жыл ішінде инфекциялардың саны азайды. Эпигаллокатехин галлаты (EGCG), кофеин, куркумин, берберин, кверцетин, ресвератрол және птеростильбен сияқты әртүрлі табиғи қосылыстар, оқшауланған жасушаларға қолданғанда mTOR-ды тежеуге қабілетті екені хабарланды. Адамдарда диеталық қоспа ретінде қабылданған кезде осы заттар mTOR сигналдауын тежейтіні немесе өмір сүру ұзақтығын арттыратыны туралы әлі жоғары сапалы деректер жоқ, бірақ жеміс шыбындары және егеуқұйрықтар сияқты жануарларда үміттендіретін нәтижелер алынған. Қазіргі таңда әртүрлі зерттеулер жүріп жатыр.