mTOR (acronimo di mammalian target of rapamycin, bersaglio nei mammiferi della rapamicina) è un enzima scoperto nel 2006 al centro di ricerche sull’obesità dell’Università di Cincinnati (Ohio-USA) dalla ricercatrice italiana Daniela Cota.

Il target di rapamicina per i mammiferi (mTOR) è una proteina che nella specie umana è codificata dal gene FRAP1. mTOR è una proteina chinasi a serina e treonina che regola la crescita, la proliferazione, la motilità e la sopravvivenza delle cellule, la sintesi proteica e la trascrizione.

mTOR ha un ruolo di rilevanza nella regolazione del bilancio energetico del corpo e del suo peso. È attivata dagli amminoacidi, dal glucosio e dall’insulina e altri ormoni che regolano il metabolismo. mTOR funge da sensore ipotalamico per la leucina in particolare, ma anche per altri amminoacidi. Quando viene assunta della lecitina mTOR entra in azione e diminuisce la sensazione di appetito.

Funzioni biologiche

La via mTOR viene regolata ed integra gli stimoli provenienti da una grande varietà di segnali cellulari, tra cui mitogeni, fattori di crescita (come IGF-1 e IGF-2), ormoni come l’insulina, nutrienti (aminoacidi, glucosio), i livelli di energia cellulare, e le condizioni di stress. Il percorso principale dei segnali di mTOR è il PI3K/AKT via di trasduzione del segnale, che è criticamente coinvolta nella mediazione della sopravvivenza e proliferazione cellulare.

Segnalazione attraverso il percorso PI3K/AKT è iniziato da stimoli mitogeni da fattori di crescita che si legano recettori della membrana cellulare. Questi recettori sono IGFR (Insulin-like Growth Factor Receptor), PDGFR (Platelet-Derived Growth Factor Receptor), l’EGFR (Epidermal Growth Factor Receptor), e la sua famiglia. Il segnale dai recettori attivati viene trasferita direttamente alla via PI3K/AKT, o, in alternativa, può essere attivata tramite attivazione dei recettori del fattore di crescita che il segnale attraverso Ras oncogeni.

Ras è un altro switch centrale per la trasduzione del segnale e ha dimostrato di essere un attivatore cardine della MAPK (Mitogene-protein chinasi attivata) di trasduzione del segnale. via PI3K/AKT può essere attivata anche da insulina tramite IRS-1 / 2 (recettore insulinico Substrate-1 / 2). mTOR modula anche la sintesi proteica attraverso la regolamentazione della RNA polimerasi I e III, che sono responsabili per la trascrizione di RNA ribosomiale e di trasferimento. In presenza di segnali di crescita appropriati come IGF1, mTOR, insieme, con percorsi di PI3K e MAPK, modula la trascrizione Pol I-regia di RNA ribosomiale.

Vi sono anche prove che mTOR può esercitare i suoi effetti sul polimerasi attraverso la regolamentazione dello stato di fosforilazione di Rb influenzando la stabilità e l’espressione della ciclina-D1 e p27. mTOR come un modulatore centrale di trasduzione del segnale proliferativo è il bersaglio ideale terapeutico contro il cancro.

Attraverso chiarimenti estensivi delle molte vie di trasduzione del segnale, è diventato chiaro che la chinasi mTOR partecipa a eventi critici che integrano i segnali esterni con segnali interni, coordinando la crescita cellulare e la proliferazione. mTOR riceve i segnali che indicano se la trascrizione e le macchine traslazionali possono essere up-regolate, quindi trasmette in modo efficiente questi segnali per le vie appropriate.

Più componenti di percorsi attraverso il segnale mTOR sono deregolati in numerosi tipi di cancro. . Lo sviluppo di inibitori di mTOR è una strategia razionale terapeutica per tumori maligni che sono caratterizzati da percorsi di deregolazione del segnale attraverso mTOR.

Il pathway di mTOR appare sregolato in diverse patologie umane, specialmente in alcuni tipi di cancro. La rapamicina è un antibiotico che può inibire mTOR associandosi col suo recettore intracellulare FKBP12 o ciclofilina A. Il complesso FKBP12-rapamicina si lega direttamente al dominio di legame per FKBP12-rapamicina su mTOR.

Sembra che questo sia lo stesso sito di legame dove mTOR possa legare l’ acido fosfatidico, un secondo messaggero derivato dall’idrolisi della fosfatidilcolina ad opera della fosfolipasi D. mTOR è alla base di intensi studi di laboratorio poiché la sua inibizione farmacologica è risultata essere un potente mezzo per sopprimere la crescita di molti tipi di tumori, come la leucemia, le mielodisplasie, il glioblastoma, il carcinoma mammario, epatico e pancreatico.

Oltre alla rapamicina, infatti, sono già stati elaborati alcuni farmaci sperimentali specifici per mTOR che si stanno studiando sulle cellule tumorali in coltura.

Farmaci naturali come il Resveratrolo, la Curcumina e l’Inositolo hanno una azione inibente su mTOR.

Complessi

mTOR è subunità catalitica di due complessi molecolari denominati mTORC1 ed mTORC2.

mTORC1

mTOR Complex 1 (mTORC1) è composto da mTOR, dalla proteina G regolatoria di mTOR chiamata Rheb, da una proteina simile alla subunità beta della proteina LST8/G dei mammiferi (mLST8/GβL) e da PRAS40 e DEPTOR, recentemente identificati. Questo complesso è caratterizzato dalle classiche caratteristiche di mTOR poiché funziona da sensore per nutrienti, energia, livello redox e controlla la sintesi proteica. L’attività di questo complesso è stimolata da insulina, fattori di crescita, siero, acido fosfatidico, aminoacidi (in particolare la leucina) e stress ossidativo.

mTORC1 è inibito da un basso livello di nutrienti, da una carenza di fattori di crescita, da stress reduttivo, dalla caffeina, dalla rapamicina, dall’acido farnesiltiosalicilico e dalla curcumina. I due bersagli di mTORC1 meglio caratterizzati sono la proteina chinasi 1 p70-S6 (S6K1) e 4E-BP1, ovvero la proteina che lega il fattore eucariotico di iniziazione 4E. mTORC1 fosforila S6K1 su almeno due residui, causando per lo più la modificazione di un residuo di treonina (T389).

Questo evento stimola la successiva fosforilazione di S6K1 ad opera di PDK1. La S6K1 attiva può ora stimolare l’inizio della sintesi proteica attraverso l’attivazione della proteina ribosomiale S6, un componento del ribosoma, e altri componenti dell’apparato trascrizionale. S6K1 può anche partecipare in un circuito di feedback positivo con mTORC1 fosforilando il dominio negativo di regolazione di mTOR su due siti, il che sembra stimolare l’attività di mTOR.

È stato dimostrato che mTORC1 fosforila almena quattro residui di 4E-BP1 in maniera gerarchica. 4E-BP1 non fosforilato si lega strettamente al fattore iniziante la trascrizione eIF4E e previene il suo legame all’mRNA e il loro reclutamento al complesso di iniziazione ribosomiale. Sotto fosforilazione ad opera di mTORC1, 4E-BP1 rilascia eIF4E, permettendogli di svolgere la sua funzione. L’attività di mTORC1 sembra essere regolata da un’interazione dinamica tra mTOR e Raptor, mediata da GβL.

Raptor e mTOR condividono una forte interazione nella regione N-term e una debole interazione a C-term vicino al domino chinasico di mTOR. Quando sono avvertiti segnali stimolatori, come alti livelli di nutrienti o di energia, l’interazione tra mTOR e Raptor a C-term è indebolita e possibilmente completamente persa, permettendo l’attivazione dell’attività chinasica di mTOR. Quando i segnali stimolatori sono rimossi, ad esempio se vi sono bassi livelli di nutrienti, l’interazione tra mTOR e Raptor a C-term è rinforzata, disattivando fortemente la funzione chinasica di mTOR.

In aggiunta agli aminoacidi ed al glucosio, anche gli acidi grassi possono regolare il complesso mTORC1. Nel cuore, ad esempio, gli acidi grassi liberi sono potenti attivatori della cascata che conduce alla sua attivazione. In questo caso l’attivazione di mTOR è la conseguenza dell’inibizione della proteina chinasi attivata dall’adenosina monofosfato (AMPKalpha), implicata nel controllo energetico cellulare.

Nel tessuto cardiaco, un’aumentata ossidazione degli acidi grassi porta ad una riduzione della ratio AMP/ATP, il che inibisce la chinasi AMPKalpha. Questa a sua volta, può modulare la trasduzione TORC1-dipendente con almeno due modalità. Nel primo caso essa fosforila la proteina TSC2; nel secondo, fosforila direttamente mTOR. In ambo i casi, si ha attivazione della funzione di queste proteine.

Nel caso dell’esercizio fisico, oltre alla stimolazione dovuta alla maggiore captazione di amminoacidi a livello delle cellule muscolari, il controllo di TORC-1 potrebbe in parte dipendere dall’asse fosfolipasi D/acido fosfatidico (PLD2/PA). È riportato da uno studio, infatti, che la stimolazione meccanica di preparazioni muscolari ex vivo porta ad attivare la funzione enzimatica della PLD, accumulo di acido fosfatidico ed aumentato funzionamento del complesso TORC-1

mTORC2

mTOR Complex 2 (mTORC2) è composto da mTOR, da Rictor, da GβL e dalla proteina 1 che interagisce con le chinasi dei mammiferi attivate da stress (MAPK/APK-1).

È stato mostrato che mTOR ha un’importante funzione regolatoria del citoscheletro attraverso la stimolazione di fibre di F-actina. mTORC2 inoltre sembra possedere l’attività che prima era attribuita a una proteina chinasi conosciuta come “PDK2” o seconda chinasi dipendente dai fosfoinositidi (Phosphoinositide-Dependent Kinase 2). mTORC2 fosforila la chinasi serina/treonina Akt/PKB sul residuo di serina S473.

La fosforilazione di questa serina stimola la fosforilazione da parte di Akt su una treonina (T308) di PDK1 e comporta piena attivazione di Akt. La curcumina inibisce entrambi prevenendo la fosforilazione sulla serina. mTORC2 sembra essere regolato da insulina, fattori di crescita, siero e livelli di nutrienti.

Originariamente mTORC2 fu identificato come un’entità non sensibile a rapamicina, poiché un’alta esposizione a rapamicina non influiva sull’attività di mTORC2 o sulla fosforilazione di Akt. Ad ogni modo successivi studi hanno mostrato che, al meno in alcune linee cellulari, l’esposizione cronica alla rapamicina, sebbene non dà effetti sugli mTORC2 pre-esistenti, può legare a mTOR libero, inibendo così la formazione di nuovi mTORC2.