mTOR抑制剂的筛选方法

mTOR抑制剂的筛选方法 【摘要】雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是是丝氨酸/苏氨酸激酶分子靶位。mTOR是细胞生长增生的中心调控者，直接或间接参与细胞生长增生有关环节的调控。人体多种肿瘤细胞中可见mTOR通路的失调。近年来，有关mTOR抑制剂的专利申请不断增加，设计、合成、筛选结构新颖的mTOR抑制剂已经成为抗肿瘤药物研发的重大课题。本文就mTOR的结构功能、信号转导通路及mTOR抑制剂的筛选方法进行简单的介绍。 【关键词】雷帕霉素靶蛋白 雷帕霉素靶蛋白抑制剂 药物筛选

TOR(target of rapamycin，雷帕霉素靶蛋白)是一类进化上非常保守的蛋白激酶家族，广泛存在于各种生物细胞中。 1994年，Brown等证实并克隆了哺乳动物TOR基因，其产物只有一种蛋白，即mTOR(mammalian target of rapamycin，哺乳动物雷帕霉素靶蛋白)。mTOR属P13K蛋白激酶类家族，是P13K／PKB信号通路下游的一个效应蛋白，其底物主要控制与细胞生长和增殖密切相关的蛋白质的合成。mTOR控制细胞内mRNA的翻译，参与膜蛋白转运，蛋白质降解，蛋白激酶C信号转导和核糖体合成等一系列生理病理过程。

1. mTOR的分子结构 mTOR分子结构复杂，由2 549个氨基酸残基组成，分子中有数个各自独立而保守的结构域，类似于酵母中TOR的结构。mToR分子的氨基端存在20个串联重复序列，每一个重复序列包含2个分别由40个氨基酸残基组成的α螺旋，每个螺旋都有一个亲水基团和一个疏水基团。这种重复结构介导蛋白质之间的相互作用，并有利于mTOR定位于浆膜。

mTOR分子羧基端的中部是蛋白激酶域，结构和P13K激酶的催化域相似。蛋白激酶域的上游是FRB域，为FKBPl2一雷帕霉素复合物与mTOR相互作用的区域，该区发生突变后可以完全阻止雷帕霉素对mTOR的抑制作用。FRB 下游大约500个氨基酸残基处为FAT域，作用可能是与mTOR分子末端的FATC域形成一个空间结构，从而暴露mTOR分子的催化域。FATC域和NRD域位于mTOR分子羧基末端，其中NRD域在FATC和激酶催化域之间，是mTOR的负性调节域，而FATC域对mTOR的活性有着至关重要的作用，FATC结构中任何一个氨基酸残基的缺失都能使mTOR丧失催化能力。 由于mTOR包含的几个相对独立的结构域都能够和其他蛋白质发生作用，因而其能结合不同的蛋白质。实际mTOR存在两种复合物形式，这两种复合物的结构在细胞中都是相对保守的。

mTOR形成的两种不同复合物——mTORC1和mTORC2。已知的mTOR对肿瘤细胞生长、分化和代谢的作用均由mTORC1完成，mTORC2对雷帕霉素不敏感。

FRB区，这个区域为免疫抑制剂FK506结合蛋白与雷帕霉素的结合位点，是雷帕霉素与mTOR相互作用的区域。所以这个区域突变后可完全阻止雷帕霉素对mTOR的抑制作用，FRB区之后为激酶区，作用是使丝氨酸苏氨酸发生磷酸化。最后的FATC为FAT碳末端区。FAT和FATC区可调节mTOR激酶的活性。

2. mTOR的信号转导通路 mTOR可通过P13K／AKT途径或AMPK途径来发挥作用。目前研究较多的是P13K／AKT途径。该途径在肿瘤中常被过度激活，使细胞周期调节失控，引起细胞转化和肿瘤进展。

正常情况下，生长因子诱导mTOR的活化是通过激活P13K实现的。P13K可磷酸化肌糖环3-羟基的磷酸肌醇。细胞膜3-磷酸磷脂(P13Ps)与Akt的PH区域连接，导致Akt转位至浆膜，从而与磷酸肌醇依赖性激酶1(PDKl)接触。PDKl负责Akt的磷酸化，从而激活Akt。激活的Akt可磷酸化结节性硬化复合体2(TSC2)并减弱后者对mTOR的抑制作用。Akt和P13K在功能上属于原癌基因，受到抑癌基因PTEN的负性调节。PTEN可使肌糖环3-羟基的磷酸肌醇磷酸化，在胚胎发育、细胞迁移、凋亡和有效终止P13K介导的信号转导方面起着关键性的作用。PTEN突变在人类实体肿瘤非常常见。 活化的P13K位于细胞膜，可催化磷脂酰肌醇P2转变为磷脂酰肌醇P3，后者募集并激活AKT。PTEN可以下调PtdlinsP3的浓度。从而抑制P13K／AKT途径。AKT对mTOR的激活主要通过以下两种方式：一种是磷酸化mTOR而直接激活它；另一种是磷酸化并抑制TSC1／TSC2二聚体。TSCl／TSC2是mTOR最重要的上游信号分子。Rheb是mTOR激活蛋白，TSCl／TSC2二聚体通过抑制Rheb阻止mTOR的活化。

由于P13K／Akt／mTOR通路分子发生突变或者上游信号通路分子激活，肿瘤细胞内P13／Akt／mTOR通路可被激活，从而使细胞增殖失控、凋亡抗拒以及引起细胞的代谢改变。

mTOR经过上述两种途径被活化后可将信号传递给下游通路，通过两种途径调节下游核糖体和mRNA结合，一是使抑制mRNA翻译的4E—BP1磷酸化失活，二是使促进mRNA翻译的S6K1磷酸化而激活，从而启动核糖体蛋白的翻译。两条途径的最终效应都是促进mRNA翻译，从而直接或间接调控翻译起始阶段、微丝形成、膜转运、蛋白降解、蛋白激酶C(PKC)通路、核蛋白体合成、tRNA合成及转录等。

3. mTOR抑制剂 mTOR抑制剂雷帕霉素及其衍生物能结合FKBP(FKS06结合蛋白)，抑制mTOR，阻止P70S6K和4EBP磷酸化。同时也间接抑制了其它相关蛋白转录和翻译，具有抗菌、免疫抑制和抗肿瘤作用。

mTOR抑制剂是具有抗排斥、抗增殖、抗肿瘤及延长哺乳动物寿命等作用的多功能药物。第一个mTOR抑制剂雷帕霉素（Rapamycin，现称西罗莫司，Sirolimus）及其后来通过化学半合成获得的西罗莫司衍生物已作为免疫抑制剂用于器官移植的抗排斥反应、作为雷帕霉素涂层支架治疗冠状动脉支架植入后的再狭窄、作为治疗肾癌等癌症的mTOR靶向抗癌药物。

目前又发现雷帕霉素能够治疗老年性痴呆症，也是第一个被报道能够延长哺乳动物生命的药物。雷帕霉素及其衍生物临床上的新适应症逐步被开发，它们在治疗罕见病、疑难病症方面可能发挥更大的作用。

近年来，有关mTOR抑制剂的专利申请不断增加，设计、合成、筛选结构新颖的mTOR抑制剂已经成为抗肿瘤药物研发的重大课题。

4. mTOR抑制剂的筛选方法 （1）酶联免疫吸附法（ELISA） ELISA的原理是抗原或抗体的固相化及抗原或抗体的酶标记。结合在固相载体表面的抗原或抗体仍保持其免疫学活性，酶标记的抗原或抗体既保留其免疫学活性，又保留酶的活性。在测定时，受检标本（测定其中的抗体或抗原）与固相载体表面的抗原或抗体起反应。用洗涤的方法使固相载体上形成的抗原抗体复合物与液体中的其他物质分开。再加入酶标记的抗原或抗体，也通过反应而结合在固相载体上。此时固相上的酶量与标本中受检物质的量呈一定的比例。加入酶反应的底物后，底物被酶催化成为有色产物，产物的量与标本中受检物质的量直接相关，故可根据呈色的深浅进行定性或定量分析。由于酶的催化效率很高，间接地放大了免疫反应的结果，使测定方法达到很高的敏感度。

mTOR的Ser2448磷酸化是上游信号AKT激酶和下游p70S6激酶反馈作用的结果，通过检测mTOR的Ser2448磷酸化程度可以检测mTOR的活性。

我们找了Abcam公司 的mTOR pSer2448 in vitro ELISA试剂盒，这个试剂盒是专为在细胞和组织裂解液精确测量mTOR的活性。

具体如下：采用mTOR特定的抗体包被微孔板，制成固相载体，样品吸入孔中，样品中存在的mTOR被固定化的抗体结合到孔中。洗涤后，在微孔中加入检测抗体。洗去未结合的检测抗体，

将酶标抗体加入孔中。各孔再次洗涤，将TMB底物溶液加入到孔中，TMB被催化转化成蓝色，蓝色的深浅与磷酸化的Ser2448的数量呈正相关。加入盐酸停止反应，颜色从蓝色变到黄色，用酶标仪在450nm波长下测定光密度值（OD值），可计算样品浓度。

受检抗原： mTOR phospho Ser2448 检测抗体： anti-mTOR phospho Ser2448 detector antibody 酶标: HRP-conjugated label specific for the detector antibody 底物： TMB 检测：最后加入盐酸停止反应，用酶标仪在450nm处测定OD值。

分析：OD值越小，mTOR的Ser2448磷酸化程度越低，抑制剂作用越强。

（2）荧光共振能量转移（FRET） 荧光共振能量转移是指两个荧光发色基团在足够靠近（7~10nm）时，当供体分子吸收一定频率的光子后被激发到更高的电子能态，在该电子回到基态前，通过偶极子相互作用，实现了能量向邻近的受体分子转移（即发生能量共振转移）。FRET是一种非辐射能量跃迁，通过分子间的电偶极相互作用，将供体激发态能量转移到受体激发态的过程，使供体荧光强度降低，而受体可以发射更强于本身的特征荧光（敏化荧光），也可以不发荧光（荧光猝灭），同时也伴随着荧光寿命的相应缩短或延长。

蛋白质磷酸化是细胞信号转导过程中的重要标志，研究其中的酶活性是研究信号通路的一个重要方面。利用放射性以及免疫化学发光等方法检测酶活性，都需要破碎细胞，用细胞提取物测定酶活性，无法做到活细胞内定时、定量、定位的观测酶活性变化，而利用FRET方法就可以很好的解决这个问题。

利用FRET原理设计了一种新的探针（一种融合蛋白）：新探针包含一个对已知蛋白激酶特异性的底物结构域，一个与磷酸化底物结构域相结合的磷酸化识别结构域。这个探针蛋白的两端分别是供体、受体荧光分子，利用FRET原理工作。当底物结构域被磷酸化后，分子内部就会发生磷酸化识别结构域与其结合而引起的内部折叠，两个荧光蛋白相互靠近就会发生能量迁移。