Az InR a receptor tirozin kinázok családjába sorolható, amikor aktív akkor foszforilálja az inzulin receptor szubsztrát (IRS) fehérjét. Az IRS ennek hatására köti és aktiválja az I. osztályba tartozó PI3K lipid kinázt. Fontos megjegyezni hogy ez különbözik a III. osztályba tartozó Vps34-től, amely a legősibbnek tekinthető, már élesztőben is jelen van.
Az aktiválódott I. osztályú PI3K szubsztrátja is más, ez ugyanis a plazmamembránban található foszfatidil-inozitol 4,5-bisz-foszfátot alakítja foszfatidil-inozitol 3,4,5-trisz-foszfáttá (PIP3). A PIP3 foszfolipidhez specifikusan kötő doménnel rendelkező fehérjék (ilyen az ún. PH domén) lesznek ennek a másodlagos hírvivő anyagnak az effektorai.
Elsősorban a PDK1 (foszfolipid-dependens kináz), amely az AKT szerin-treonin kinázt fogja aktiválni. Az AKT PDK1 általi foszforiláció mellett szintén hordoz PH domént, tehát ugyanazt a foszfolipidet fogja kötni a plazmambránban. Az aktív AKT serkenti a sejtnövekedést és gátolja az apoptózist, továbbá a TOR jelátvitel aktivitását is növelni tudja (8.6. ábra).
8.6. ábra Az Akt kináz szabályozása és hatásai.A foszfatidil inozitol 3 kináz (PI3K) a plazmamembránban található foszfatidil-inozitol 4,5-bisz-foszfátot (PIP2) alakítja foszfatidil-inozitol 3,4,5-trisz-foszfáttá (PIP3). A folyamat reverzibilis, a PTEN (phosphatase és tensin homolog) a PIP3 PIP2-vé való visszaalakulását katalizálja.
A PDK1 (foszfolipid-dependens kináz) foszforilálja és így serkenti az Akt-ot, aktiválásához viszont PIP3 kötés is szükséges. Az aktív Akt serkenti a proliferációt, túlélést és migrációt (zöld nyilak), és gátolja a TSC1/2 komplexet (piros nyíl). Ennek hatására az mTOR aktivitása is nő, ami szintén serkenti a sejtnövekedést és a hipertrófiát. Pircs Karolina ábrája.
A TOR elnevezése a target of rapamycin rövidítése. A rapamycin (más néven sirolimus) egy makrolid típusú hatóanyag, melyet gombaellenes és immunszuppresszáns (például szervátültetésnél a kilökődést megakadályozó)
kezelésekre, újabban pedig rákellenes szerként használnak. Eredetileg egy Húsvét-szigetekről (Rapa Nui, innen ered a rapamycin név) származó talajmintában fedezték fel, aStreptomyces hygroscopiusbaktériumfaj termeli a vele kompetícióban álló gombák térnyerésének megakadályozására. A sejtekbe jutva a rapamicin az FKBP12 (FK506-binding protein of 12 kDa) alkot komplexet, és együtt a TOR kinázhoz kötődve inaktiválják azt. A TOR szerin-treonin kináz az egyik legjelentősebb jelátviteli csomópont az eukarióta sejtekben, ugyanis a sejt energiaszintjét, az aminosavak mennyiségét és többsejtűekben a különféle növekedési faktorok jeleit integrálja (8.7. ábra).
8.7. ábra A TORC1 és TORC2 komplexek felépítése, szabályozódása és hatásaikA növekedési faktorok, glükóz, aminosavak és egyéb tápanyagok serkentik a TORC1 komplex működését. A rapamycin és különböző stresszhatások viszont gátolják a TORC1-et. Az aktív TORC1 gátolja az autofágiát, serkenti a sejtosztódást, a fehérjeszintézist és bizonyos gének transzkripcióját. A TORC2 működését főleg növekedési faktorok befolyásolják, és legfőképpen a citoszkeletonra hat. A TORC1 és a TORC2 komplexek közötti különbséget a Raptor vagy Rictor alegység jelenléte határozza meg. Nagy Péter ábrája.
Élesztőben két homológ gén (TOR1 és TOR2) létezik, de a TOR2 funkciója eltér, citoszkeletális változásokat szabályoz. Magasabbrendűekben ugyan csak egy TOR gén található, viszont itt is két fehérjekomplexet képez:
mTORC1 (mammalian or mechanistic TOR complex 1) és mTORC2, az élesztőhöz hasonló funkciókkal.
Megjegyzendő hogy rapamicinre csak az mTORC1 érzékeny. A fő különbség az komplexek összetételében az, hogy az mTORC1 egyik alegysége, a raptor (rapamycin-sensitive companion of TOR) helyett az mTORC2 esetén a rictor (rapamycin-insensitive companion of TOR) fehérjét találjuk. A TOR-t több kis GTPáz fehérje is aktiválja, ezek egyike a Rheb. A fent említett AKT a TOR aktivitását úgy képes serkenti, hogy a TSC1-TSC2 (tuberous sclerosis 1, 2) komplexet foszforilálva gátolja annak Rheb-re kifejtett GTPáz aktivátor működését, tehát a Rheb így több ideig lesz aktív, mielőtt GTP-t hidrolizálna.
A TOR fő kimenetei közé tartozik a transzláció serkentése és az autofágia gátlása. A TOR szubsztrátja például az S6K (S6 kináz), amely így aktiválódva a riboszóma kis alegységének 6. számú fehérjéjét foszforilálja, ezáltal serkenti a transzlációt. Egy másik TOR szubsztrát a 4EBP (eIF-4E binding protein), ami a 4E jelű transzlációs iníciációs faktort kötve gátolja a fehérjeszintézist. A 4EBP TOR által történő foszforilációja megakadályozza az eIF-4E-hez történő kötését, azaz kikapcsolja az iníciáció gátlást. A TOR itt nevesített harmadik szubszrátja pedig az Atg1 kináz, amelyet inaktivál. Az éhezés, vagy magasabb rendűeknél a növekedési faktorok megvonása a fentiekkel ellentétes folymatokhoz vezet, tehát transzláció gátlást és autofág indukciót okoz (8.8. ábra).
8.8. ábra Az aktív emlős mTORC1 által szabályozott legfontosabb folyamatok.Az mTORC1 5 alegységből épül fel: az mTOR-ból, a Raptorból, a Deptorból, a PRAS40-ből és az mLST8-ból. Az mTORC1 serkenti a riboszómák biogenezisét és bizonyos gének transzkripcióját. Az S6 kinázt aktiválva és és a 4E-BP-t gátolva serkenti a fehérjeszintézist és metabolizmust. Az mTORC1 többek között az Atg1 foszforilációja révén gátolja az autofágiát.
Csikós György ábrája.
Említésre érdemes, hogy a legújabb eredmények alapján az mTORC1 a lizoszómákhoz kötődve aktív, amihez egy másik, Rag típusú GTPáz általi aktiváció is szükséges. Éhezés során a TOR inaktiválásra kerül és így indukálódik az autofágia. Ennek eredményeképpen az autolizoszómális lebontás révén rengeteg hasznos alapanyag fog újrahasznosulni. Ezek viszont képesek a TOR-t reaktiválni, vagyis így egy negatív visszacsatolással szabályozódhat le az autofág indukció. Feltételezik, hogy a TOR aktivitását valamiképpen a lizoszómákban található, illetve onnan kijutó aminosavak mennyisége befolyásolja (8.9. ábra).
8.9. ábra Feltételezések szerint a lizoszómákban található aminosavak mennyisége szabályozza a mTORC1 aktivitását. Az mTORC1 gátlása révén autofágia indukálódik, melynek során az autofagoszómák szállítják a citoplazmás fehérjéket és organellumokat a lizoszómákba. A vakuoláris (v-) ATPáz komplex biztosítja a fehérjék aminosavakra történő bontásához szükséges savas pH-t a lizoszómális proteázok számára. A lebontás során keletkező aminosavak aktiválják az v-ATPázhoz kötődő mTORC1-et, amely negatív visszacsatolási hurok révén a további autofagoszómák keletkezését gátolja. Forrás: Autophagy 2012; 8(12): 1875-6.
Az inzulin/PI3K/AKT és TOR jelátviteli rendszerek autofágiában játszott szerepét Thomas Neufeld kutatócsoportja elsők között igazoltaDrosophilamozaik analízis révén (ezt illusztrálják a 8.10-8.11-8.12-8.13. ábrák).
8.10. ábra Az Akt csendesítésének hatása az autofágiára. Jól táplált Drosophila lárvák zsírtestsejtjeiben a zöld (GFP pozitív) Akt géncsendesített klónsejtekben megnövekszik az mCherry-Atg8a pozitív autofág struktúrák mennyisége a szomszédos kontroll sejtekhez képest, ami megnövekedett autofág aktivitásra utal. Jól látható, hogy a szomszédos kontroll sejtekhez képest jelentős mértékben lecsökkent az Akt géncsendesített klónsejtek mérete is. Piros: mCherry-Atg8a, zöld: GFP, kék: sejtmag. Nagy Péter ábrája.
8.11. ábra A TOR géncsendesítés hatása az autofágiára.Jól táplált Drosophila lárvák zsírtestsejtjeiben a zöld (GFP pozitív) TOR géncsendesített klónsejtekben megnövekszik az mCherry-Atg8a pozitív autofág struktúrák mennyisége a szomszédos kontroll sejtekhez képest, ami autofág indukcióra utal. Vegyük észre hogy a kontroll sejtekhez képest jelentős mértékben lecsökken a TOR géncsendesített klónsejtek mérete is. Piros: mCherry-Atg8a, zöld: GFP, kék: sejtmag. Nagy Péter ábrája.
8.12. ábra A PI3K túltermeltetésének hatása az autofágiára.Éheztetett Drosophila lárvák zsírtestsejtjeiben a zöld (GFP pozitív), PI3K-t túltermelő klónsejtekben szinte teljes mértékben gátolt az mCherry-Atg8a pozitív autofág struktúrák mennyisége a szomszédos kontroll sejtekhez képest, ami az autofág válasz hiányára utal. Jól látható, hogy a környező kontroll sejtekhez képest megnő a PI3K-t overexpresszáló klónsejtek mérete is. Piros:
mCherry-Atg8a, zöld: GFP, kék: sejtmag. Nagy Péter ábrája.
8.13. ábra A Rheb túltermeltetésének hatása az autofágiára.Éheztetett Drosophila lárvák zsírtestsejtjeiben a zöld (GFP pozitív), Rheb-et túltermelő klónsejtekben nem láthatóak mCherry-Atg8a pozitív struktúrák a szomszédos kontroll sejtekkel szemben, ami gátolt autofág válaszra utal. A kontroll sejtekhez képest ebben az esetben is megnő a Rheb-et overexpresszáló klónsejtek mérete. Piros: mCherry-Atg8a, zöld: GFP, kék: sejtmag. Nagy Péter ábrája.
Ezek a folyamatok az állati sejtekben evolúciósan konzervált útvonalak (Scott és mtsai, 2004), emiatt kerültek ebben a fejezetben részletes leírásra.