УДК 57:60 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ TOR

УДК 57:60
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ TOR СИСТЕМЫ У ЭУКАРИОТ
Киян В.С.
ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, г.Астана, Казахстан, [email protected]
Научный руководитель – д.б.н., профессор, академик НАН РК, Берсимбай Р.И.
Осуществление регуляции клеточного метаболизма в ответ на воздействие внешних
сигналов обеспечивается сложной сетью биохимических сигнальных путей. Одним из
основных сигнальных путей принадлежит киназе белка серина/треонина mTOR, которая
интегрирует различные сигнальные пути, в том числе пути инсулина и ростовых
факторов, функционирует как сенсор уровня питательных веществ и энергии в клетке, а
также окислительно-восстановительного статуса. TOR является эволюционно
консервативной Ser/Thr киназой, которая управляет сетью роста сигнальных путей в
дрожжах и животных клеток в ответ на экологические сигналы [1-4].
Механизм действия данного комплекса в клетках животных изучен на достаточно
высоком уровне. Известно, что mTOR состоит из двух комплексов. Комплекс mTORC1
является мишенью иммунодепрессанта рапамицина (это объясняет название белка
«мишень рапамицина у млекопитающих»), регулирующий клеточный рост и размер
клеток, активируя множество анаболических процессов, включая биосинтез белков,
липидов и органелл, а также ограничивая катаболические процессы, такие как аутофагия.
TOR данного комплекса инактивируется противогрибковым иммунодепрессантом
рапамицином, который связываясь с TOR и FKBP12 формирует токсичный комплекс,
который имитирует сигналы напряжения [5-7]. FKBP12 является пептидопролил
изомеразой, которая была первоначально идентифицирована как цитозольный рецептор
иммунодепрессантов FK506 и рапамицина [8]. Последние данные свидетельствуют о том,
что рапамицин ингибирует функцию TOR-киназы, вызывая диссоциацию RAPTOR с TOR
[9].
При этом показано, что активация киназы TOR опосредовано при взаимодействии с
регуляторно-ассоциированным белком TOR (Raptor), который, как полагают,
контролирует набор субстратов для TOR. Данный белок играет ключевую роль у
млекопитающих в регулировании p70S6K. Было показано, что RAPTOR непосредственно
связывается с p70S6K, и служит материалом для облегчения связывания других белков
TOR, p70S6K и может получить прямой сигнал от TOR [10-12].
Рассматривая комплекс ТОР-Raptor, то лучше всего охарактеризованы две его цели –
это рибосомный белок S6 киназы 1 (S6K1) и транскрипционный репрессор 4E-BP1. Как
следует из названия, S6K1 представляет собой S6 протеинкиназу, целью которой являются
сигнал верхнего потока – строительный фактор (UBF), эукариотический фактор
инициации 4B (eIF4B) и S6K Аly/Ref (SKAR). У млекопитающих, фосфорилирование,
которое зависит от mTOR вызывает активацию S6K1 и торможения 4E-BP1 вместе с
нижестоящими рефлекторами, транскрипционный синтез и общий синтез белка [13].
Таким образом, можно сказать, что основной функцией mTORC1 комплекса является
регуляция синтеза белка п утем фосфорилирования 4E-BP1 и S6K1.
Комплекс mTOR у млекопитающих, Rictor и GβL (TOR, AVO1-3 и LST8 в
С.cerevisiae) является рапамицин нечувствительным в связи с его неспособностью
связывать рапамицин-FKBP12. Комплекс, содержащий Rictor (млекопитающие) или
AVO1-3 (дрожжи) регулирует актин цитоскелета и фосфорилирует протеин киназы
семейства AGC. Также в состав данного комплекса входит mLST8 (mammalian lethal with
Sec 13 protein 8), mSIN1(mammalian stress-activated protein kinase interacting protein) [14],
protor 1 (protein observed with rector-1) [15] и белок deptor (DEP – domain-containing mTORinteracting) [16]. Несмотря на достаточную изученность данного комплекса, не выяснена
окончательная роль данного белка, но уже сейчас можно сказать, что комплекс mTORС2
играет ключевую роль в различных биологических процессах, включая клеточный
метаболизм, пролиферацию и выживание клеток, организацию цитоскелета.
Несмотря на важность TOR пути у эукариот, мало известно о регуляторных
механизмов пути TOR комплекса у растений (рTOR). TOR и RAPTOR у животных, как
известно, взаимодействуют друг с другом [6] и была проведена работа рассматривающая
взаимодействие RAPTOR1 и TOR у растений. Это взаимодействие происходит через
домен HEAT повторения TOR, как и в случае с сигнальной системой TOR у животных.
Точно установлена связь активности белка Raptor и регуляции роста клеток в ответ
на питательные вещества в дрожжах и многоклеточных организмах. Эта же связь
обнаружена и в растительных клетках. Примером может служить работа G.H. Anderson с
соавторами установившими, что нарушение AtRaptor1B в растениях дает широкий спектр
дефектов развития: корни толстые и растут медленно, отстают в росте листья, почки и
соцветия, показано уменьшение апикального доминирования. Все это говорит о
причастности TOR сигнального пути как основного регулятора роста клеток не только
дрожжей и многоклеточных, но также участвует в поддержании роста побегов из
апикальной меристемы растений [17]. Эти данные подтверждаются тем, что TOR и
RAPTOR гомологи были обнаружены в
Arabidopsis thaliana (рTOR и
RAPTOR1/RAPTOR2, соответственно), а их функции были вовлечены в эмбриональном
развитии [18-19] и управляемый меристемный рост клеток [20]. Кроме этого имеются
данные указывающие, что важной функцией ТОР пути является регулирование
митохондриальной активности и, следовательно, продуктивности активных форм
кислорода, которые влияют на продолжительность жизни [21, 22], и в растениях,
оказывают влияние на окислительный стресс, расширение клеточной стенки и рост клеток
[23, 24].
Также показано, что гомолог Mei2 (AML1 белок), белок сигнализации мейоза у
Arabidopsis, взаимодействуя с RAPTOR1, снижает синтез белка AML1 и тем самым
подавляет синтез pTOR [25]. В Arabidopsis были определены два предполагаемых
гомолога S6K с высокой последовательностью гомологии (87% идентичности) [26]. Они
были первоначально названы ATPK6 и ATPK19, а затем переименованы в S6K1 и S6K2,
соответственно [27, 28]. Сделано предложение, что S6K2 может быть ортологом p70S6
киназы, поскольку было показано, он иметь возможность фосфорилировать
рибосомальный S6 белок [27, 28]. Активность в растениях S6Ks увеличивается в ответ на
введение ауксинов и цитокининов [27]. Имеются сообщения, показывающие влияние
осмотического стресса на активность S6K1 через киназный путь рTOR. Кроме того, он
может проходить через PDK1 путь, который также был известен по регулированию S6K в
клетках животных [29].
Имеется сообщение указывающее, что Arabidopsis не чувствителен к
специфическому TOR ингибитору рапамицину, так как рапамицин не может образовывать
тройной комплекс с FKBP12 и TOR. Тем не менее, экспрессия дрожжей FKBP12 вызывает
рапамицин чувствительность в Arabidopsis [30, 31].
Поскольку растения непрерывно сталкиваются со стрессом в течение всего их
жизненного цикла, TOR путь в растениях может иметь первостепенное значение. Этот
путь может связывать различные сигналы стресса с сигнальными путями роста и
оптимизации роста растений в различных экологических условиях. Предварительные
данные показывают, что посттранскрипционные механизм могут играть роль в
регулирование TOR пути [32].
Несмотря на важность функций TOR у эукариот, мало известно о сигналах верхнего
потока и нижестоящих эффекторов TOR-сигнальной системы у растений, а также его
комплексах. Основным препятствием для выяснения TOR-сигнальной системы у растений
является отсутствие удобных и надежных молекулярных и биохимических анализов для
мониторинга деятельности
TOR растений. Недавно ученые сообщили, что сайт-
специфическое фосфорилирование S6Ks у Arabidopsis может служить надежным и
чувствительным молекулярным и биохимическим маркером для контроля эндогенной
активности TOR PK в Arabidopsis.
Magdy M. с соавт. провели исследования, в которых были клонированы гены рTORкиназы Arabidopsis и предприняты попытки установить основные пути регуляции TOR в
растениях. Они обнаружили, что RAPTOR1 взаимодействует с HEAT и S6K1 in vivo, а
также показали зависимость активности S6K1 от осмотического стресса. Кроме того, они
экспессировали RAPTOR1 вместе с S6K1 в листья табака (Nicotiana Tabacum) и
обнаружили, что гиперэкспрессия RAPTOR1 оказало устойчивость S6K1 к осмотическому
стрессу. Было показано, что активность PDK1 в Arabidopsis не подавляется воздействием
осмотического стресса, что осмотический стресс ингибирует S6K в растениях и может
быть опосредовано через TOR [33].
Были получены интересные данные, показывающие наличие низкого уровня генов
TOR и RAPTOR в конститутивно различных тканях Arabidopsis, при котором уровень
экспрессии существенно не изменился в течение различных физиологических условиях
[19, 25, 33], и кроме этого TOR может регулировать некоторые посттранскрипционные
поступательные механизмы [32].
Известно также, что PDK1 активизирует протеинкиназы семейства AGC, к которым
принадлежит S6K, и несколько PDK1 субстратов, в том числе PKB, S6K, RSK, SGK и PKC
[29, 34, 35]. Также было показано, что данные по PDK1 у Arabidopsis могут дополнять
данные по мутированным PDK1 дрожжам, что свидетельствует о существовании
функционального сохранения PDK1 пути у эукариот [36].
Таким образом, рост клеток тесно связан с наличием питательных веществ. Белок
TOR в настоящее время признается в качестве одного из главных факторов управления
ростом в эукариотических клетках. В клетках млекопитающих, деятельность и функции
TOR и, следовательно, деятельность его цели контролируется различными факторами,
включая аминокислотные уровни, факторы роста, доступность АТФ, гипоксия,
полифосфатов и фосфатидной кислоты. Говоря же о деятельности и функциях TOR в
растениях, то данный вопрос изучен на недостаточном уровне и требует тщательного
изучения и глубокого анализа.
Список используемой литературы:
1. Dennis, P.B., Fumagalli, S., and Thomas, G. (1999). Target of rapamycin (TOR):
Balancing the opposing forces of protein synthesis and degradation. Curr. Opin. Genet. Dev. 9,
49–54.
2. Thomas, G. (2000). An encore for ribosome biogenesis in the control of cell
proliferation. Nat. Cell Biol. 2, E71–E72.
3. Rohde, J., Heitman, J., and Cardenas, M.E. (2001). The TOR kinases link nutrient
sensing to cell growth. J. Biol. Chem. 276, 9583–9586.
4. Bjornsti, M.A., and Houghton, P.J. (2004). The TOR pathway: A target for cancer
therapy. Nat. Rev. Cancer 4, 335–348.).
5. Heitman, J., Movva, N.R., and Hall, M.N. (1991). Targets for cell cycle arrest by the
immunosuppressant rapamycin in yeast. Science 253, 905–909.
6. Koltin, Y., Faucette, L., Bergsma, D.J., Levy, M.A., Cafferkey, R., Koser, P.L.,
Johnson, R.K., and Livi, G.P. (1991). Rapamycin sensitivity in Saccharomyces cerevisiae is
mediated by a peptidylprolyl cis-trans isomerase related to human FK506-binding protein. Mol.
Cell. Biol. 11, 1718–1723.
7. Chen, J., Zheng, X.F., Brown, E.J., and Schreiber, S.L. (1995). Identification of an 11kDa FKBP12-rapamycin-binding domain within the 289-kDa FKBP12-rapamycin-associated
protein and characterization of a critical serine residue. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 4947–
4951.).
8. Harding, M.W., Galat, A., Uehling, D.E., and Schreiber, S.L. (1989). A receptor for
the immunosuppressant FK506 is a cis-trans peptidylprolyl isomerase. Nature 341, 758–760.
9. Oshiro, N., Yoshino, K., Hidayat, S., Tokunaga, C., Hara, K., Eguchi, S., Avruch, J.,
and Yonezawa, K. (2004). Dissociation of raptor from mTOR is a mechanism of rapamycininduced inhibition of mTOR function. Genes Cells 9, 359–366.
10. Hara, K., Maruki, Y., Long, X., Yoshino, K., Oshiro, N., Hidayat, S., Tokunaga, C.,
Avruch, J., and Yonezawa, K. (2002). RAPTOR, a binding partner of target of rapamycin
(TOR), mediates TOR action. Cell 110, 177–189.
11. Kim, D.H., Sarbassov, D.D., Ali, S.M., King, J.E., Latek, R.R., Erdjument-Bromage,
H., Tempst, P., and Sabatini, D.M. (2002). mTOR interacts with raptor to form a nutrientsensitive complex that signals to the cell growth machinery. Cell 110, 163–175.
12. Nojima, H., Tokunaga, C., Eguchi, S., Oshiro, N., Hidayat, S., Yoshino, K., Hara, K.,
Tanaka, N., Avruch, J., and Yonezawa, K. (2003). The mammalian target of rapamycin (mTOR)
partner, raptor, binds the mTOR substrates p70 S6 kinase and 4E–BP1 through their TOR
signaling (TOS) motif. J. Biol. Chem. 278, 15461–15464.).
13. Martin DE, Hall MN (2005) The expanding TOR signaling network. Curr Opin Cell
Biol 17: 158–166.
14. Sarbassov D.D., Ali S.M., Kim D.H., Guertin D.A., Latek R.R., Erdjument-Bromage
H., Tempst P., and Sabatini D.M. Rictor, a novel binding partner of mTOR, defines a rapamycininsensitive and raptor- independent pathway that regulates the cytoskeleton.// Curr.Biol. 2004.
Vol. 14. P. 1296-1302
15. Pearce L., Huang Xu., Boudeau J., Pawlowski R., Wullshle ger S., Deak M., Ibrahim
A., Gourlay R., Magnuson M., Alessi D. Identification of Protor as novel Rictor-binding
component of mTOR complex-2.//Biochem.J. 2007. Vol. 405. P. 513-522
16. Laplante M., Sabatini D. mTOR signaling at a glanse//J. of Cell Science. 2009. Vol.
122. P. 3589-3594
17. G.H. Anderson, B. Veit and M.R. Hanson. The Arabidopsis AtRaptor genes are
essential for post-embryonic plant growth. BMC Biology 2005, 3:12 doi:10.1186/1741-7007-312
18. Menand, B., Desnos, T., Nussaume, L., Berger, F., Bouchez, D., Meyer, C., and
Robaglia, C. (2002). Expression and disruption of the Arabidopsis TOR (target of rapamycin)
gene. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 6422–6427
19. Deprost, D., Truong, H.N., Robaglia, C., and Meyer, C. (2005). An Arabidopsis
homolog of RAPTOR/KOG1 is essential for early embryo development. Biochem. Biophys. Res.
Commun. 326, 844–850.
20. Anderson, G.H., Veit, B., and Hanson, M.R. (2005). The Arabidopsis AtRaptor genes
are essential for post-embryonic plant growth. BMC Biol. 3, 12.
21. Schieke, S.M., and Finkel, T. (2006). Mitochondrial signaling, TOR, and life span.
Biol. Chem. 387: 1357–1361
22. Cunningham, J.T., Rodgers, J.T., Arlow, D.H., Vazquez, F., Mootha, V.K., and
Puigserver, P. (2007). mTOR controls mitochondrial oxidative function through a YY1-PGC-1
alpha transcriptional complex. Nature 450: 736–740
23. Gapper, C., and Dolan, L. (2006). Control of plant development by reactive oxygen
species. Plant Physiol. 141: 341–345.
24. Rhoads, D.M., Umbach, A.L., Subbaiah, C.C., and S iedow, J.N. (2006).
Mitochondrial reactive oxygen species. Contribution to oxidative stress and interorganellar
signaling. Plant Physiol. 141: 357–366
25. Anderson, G.H., and Hanson, M.R. (2005). The Arabidopsis Mei2 homologue AML1
binds AtRaptor1B, the plant homologue of a major regulator of eukaryotic cell growth. BMC
Plant Biol. 5, 2.
26. Mizoguchi, T., Hayashida, N., Yamaguchi-Shinozaki, K., Kamada, H., and
Shinozaki, K. (1995). Two genes that encode ribosomalprotein S6 kinase homologs are induced
by cold or salinity stress in Arabidopsis thaliana. FEBS Lett. 358, 199–204.
27. Turck, F., Kozma, S.C., Thomas, G., and Nagy, F. (1998). A heatsensitive
Arabidopsis thaliana kinase substitutes for human p70s6k function in vivo. Mol. Cell. Biol. 18,
2038–2044.
28. Zhang, S.H., Broome, M.A., Lawton, M.A., Hunter, T., and Lamb, C.J. (1994). atpk1,
a novel ribosomal protein kinase gene from Arabidopsis. II. Functional and biochemical analysis
of the encoded protein. J. Biol. Chem. 269, 17593–17599.
29. Alessi, D.R., Kozlowski, M.T., Weng, Q.P., Morrice, N., and Avruch, J. (1998). 3Phosphoinositide-dependent protein kinase 1 (PDK1) phosphorylates and activates the p70 S6
kinase in vivo and in vitro. Curr. Biol. 8, 69–81.
30. Mahfouz, M.M., Kim, S., Delauney, A.J., and Verma, D.P.S. (2006). Arabidopsis
TARGET OF RAPAMYCIN interacts with RAPTOR, which regulates the activity of S6 kinase
in response to osmotic stress signals. Plant Cell 18: 477–490
31. Sormani, R., Yao, L., Menand, B., Ennar, N., Lecampion, C., Meyer, C., and
Robaglia, C. (2007). Saccharomyces cerevisiae FKBP12 binds Arabidopsis thaliana TOR and its
expression in plants leads to rapamycin susceptibility. BMC Plant Biol. 7: 26.
32. Robaglia, C., Menand, B., Lei, Y., Sormani, R., Nicolai, M., Gery, C., Teoule, E.,
Deprost, D., and Meyer, C. (2004). Plant growth: The translational connection. Biochem. Soc.
Trans. 32, 581–584.
33. Magdy M., Mahfouz, Sunghan Kim, Ashton J. Delauney, and Desh Pal S. Verma.
Arabidopsis TARGET OF RAPAMYCIN Interacts with RAPTOR, Which Regulates the
Activity of S6 Kinase in Response to Osmotic Stress Signals The Plant Cell, Vol. 18, 477–490,
February 2006.
34. Pullen, N., Dennis, P.B., Andjelkovic, M., Dufner, A., Kozma, S.C., Hemmings,
B.A., and Thomas, G. (1998). Phosphorylation and activation of p70s6k by PDK1. Science 279,
707–710.
35. Biondi, R.M., Kieloch, A., Currie, R.A., Deak, M., and Alessi, D.R. (2001). The PIFbinding pocket in PDK1 is essential for activation of S6K and SGK, but not PKB. EMBO J. 20,
4380–439.
36. Deak, M., Casamayor, A., Currie, R.A., Downes, C.P., and Alessi, D.R. (1999).
Characterisation of a plant 3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1 homologue which
contains a pleckstrin homology domain. FEBS Lett. 451, 220–226.