O alvo da rapamicina em mamíferos (mammalian target of rapamycin - mTOR), também chamado de alvo mecanístico da rapamicina (mechanistic target of rapamycin) e, às vezes, de proteína 12 de ligação FK506 (FK506-binding protein 12-rapamycin-associated protein 1 - FRAP1), é uma quinase que, em humanos, é codificada pelo gene MTOR. O mTOR é um membro da família de proteínas quinases relacionadas à fosfatidilinositol 3-quinase.
O mTOR se liga a outras proteínas e atua como um componente central de dois complexos proteicos distintos, o complexo mTOR 1 e o complexo mTOR 2, que regulam diferentes processos celulares.Figure 1: Domain structure of the mTOR kinase and components of mTORC1 and mTORC2
Figure 2: The mTOR Signaling Pathway Em particular, como um componente central de ambos os complexos, o mTOR funciona como uma proteína quinase serina/treonina que regula o crescimento celular, a proliferação celular, a motilidade celular, a sobrevivência celular, a síntese proteica, a autofagia e a transcrição. Como componente central do mTORC2, o mTOR também funciona como uma proteína quinase de tirosina que promove a ativação dos receptores de insulina e dos receptores do fator de crescimento semelhante à insulina tipo 1. O mTORC2 também foi implicado no controle e na manutenção do citoesqueleto de actina.
Descoberta
Rapa Nui (Ilha de Páscoa - Chile)
O estudo do TOR teve origem na década de 1960 com uma expedição à Ilha de Páscoa (conhecida pelos habitantes da ilha como Rapa Nui), com o objetivo de identificar produtos naturais de plantas e do solo com possível potencial terapêutico. Em 1972, Suren Sehgal identificou uma pequena molécula de uma bactéria do solo, Streptomyces hygroscopicus, que ele purificou e inicialmente relatou possuir uma potente atividade antifúngica. Ele a batizou apropriadamente de rapamicina, observando sua fonte e atividade originais. No entanto, os primeiros testes revelaram que a rapamicina também tinha uma potente atividade imunossupressora e citostática contra o câncer. A rapamicina não recebeu inicialmente um interesse significativo do setor farmacêutico até a década de 1980, quando a Wyeth-Ayerst apoiou os esforços de Sehgal para investigar mais a fundo o efeito da rapamicina no sistema imunológico. Isso acabou levando à sua aprovação pela FDA como imunossupressor após o transplante renal. Entretanto, antes de sua aprovação pela FDA, o funcionamento da rapamicina permanecia completamente desconhecido.
Histórico subsequente A descoberta do TOR e do mTOR foi resultado de estudos independentes do produto natural rapamicina por Joseph Heitman, Rao Movva e Michael N. Hall em 1991; por David M. Sabatini, Hediye Erdjument-Bromage, Mary Lui, Paul Tempst e Solomon H. Snyder em 1994; e por Candace J. Sabers, Mary M. Martin, Gregory J. Brunn, Josie M. Williams, Francis J. Dumont, Gregory Wiederrecht e Robert T. Abraham em 1995. Em 1991, trabalhando com levedura, Hall e seus colegas identificaram os genes TOR1 e TOR2. Em 1993, Robert Cafferkey, George Livi e seus colegas, e Jeannette Kunz, Michael N. Hall e seus colegas clonaram independentemente os genes que mediam a toxicidade da rapamicina em fungos, conhecidos como genes TOR/DRR. Entretanto, o alvo molecular do complexo FKBP12-rapamicina em mamíferos não era conhecido. Em 1994, pesquisadores que trabalhavam nos laboratórios de Stuart L. Schreiber, Solomon H. Snyder e Robert T. Abraham descobriram independentemente uma proteína que interage diretamente com a FKBP12-rapamicina, que ficou conhecida como mTOR devido à sua homologia com os genes TOR/DRR de levedura.
A rapamicina interrompe a atividade fúngica na fase G1 do ciclo celular. Em mamíferos, ela suprime o sistema imunológico bloqueando a transição da fase G1 para S nos linfócitos T. Assim, ela é usada como imunossupressor após o transplante de órgãos. O interesse na rapamicina foi renovado após a descoberta do produto natural imunossupressor estruturalmente relacionado FK506 em 1987. Em 1989-90, foi determinado que o FK506 e a rapamicina inibiam as vias de sinalização do receptor de células T (TCR) e do receptor de IL-2, respectivamente. Os dois produtos naturais foram usados para descobrir as proteínas de ligação do FK506 e da rapamicina, incluindo a FKBP12, e para fornecer evidências de que a FKBP12-FK506 e a FKBP12-rapamicina poderiam agir por meio de mecanismos de ganho de função que visam funções celulares distintas. Essas investigações incluíram estudos importantes de Francis Dumont e Nolan Sigal na Merck, que contribuíram para mostrar que o FK506 e a rapamicina se comportam como antagonistas recíprocos. Esses estudos implicaram o FKBP12 como um possível alvo da rapamicina, mas sugeriram que o complexo poderia interagir com outro elemento da cascata mecanicista.
Em 1991, a calcineurina foi identificada como alvo da FKBP12-FK506. O alvo da FKBP12-rapamicina permaneceu misterioso até que estudos genéticos e moleculares em leveduras estabeleceram a FKBP12 como alvo da rapamicina e implicaram TOR1 e TOR2 como alvos da FKBP12-rapamicina em 1991 e 1993, seguidos por estudos em 1994, quando vários grupos, trabalhando independentemente, descobriram a quinase mTOR como seu alvo direto em tecidos de mamíferos. A análise da sequência do mTOR revelou que ela é o ortólogo direto das proteínas codificadas pelos genes TOR1 e TOR2 (yeast target of rapamycin 1 e 2), que Joseph Heitman, Rao Movva e Michael N. Hall identificaram em agosto de 1991 e maio de 1993. Independentemente, George Livi e colegas relataram posteriormente os mesmos genes, que chamaram de resistência dominante à rapamicina 1 e 2 (DRR1 e DRR2), em estudos publicados em outubro de 1993.
A proteína, agora chamada de mTOR, foi originalmente denominada FRAP por Stuart L. Schreiber e RAFT1 por David M. Sabatini; FRAP1 foi usado como seu símbolo gênico oficial em humanos. Devido a esses nomes diferentes, mTOR, que foi usado pela primeira vez por Robert T. Abraham, foi cada vez mais adotado pela comunidade de cientistas que trabalham na via mTOR para se referir à proteína e em homenagem à descoberta original da proteína TOR em levedura que foi denominada TOR, o Alvo da Rapamicina (Target of Rapamycin), por Joe Heitman, Rao Movva e Mike Hall. A TOR foi originalmente descoberta no Biozentrum e na Sandoz Pharmaceuticals em 1991, na Basileia, Suíça, e o nome TOR é uma homenagem a essa descoberta, já que tor significa porta ou portão em alemão, e a cidade da Basileia já foi cercada por uma muralha pontuada por portões para a cidade, incluindo o icônico Spalentor. Inicialmente, "mTOR" significava "mammalian target of rapamycin" (alvo mamífero da rapamicina), mas o significado do "m" foi posteriormente alterado para "mechanistic" (mecanicista). Da mesma forma, com as descobertas subsequentes, o TOR do peixe-zebra foi denominado zTOR, o TOR da Arabidopsis thaliana foi denominado AtTOR e o TOR da Drosophila foi denominado dTOR. Em 2009, o nome do gene FRAP1 foi oficialmente alterado pelo Comite de Nomenclatura de Genes (HGNC) da Organização Genoma Humano (HUGO) para mTOR, que significa mechanistic target of rapamycin (alvo mecânico da rapamicina).
A descoberta do TOR e a subsequente identificação do mTOR abriram as portas para o estudo molecular e fisiológico do que hoje é chamado de via mTOR e teve um efeito catalisador no crescimento do campo da biologia química, em que pequenas moléculas são usadas como sondas da biologia.
Função O mTOR integra a entrada das vias ascendentes, incluindo insulina, fatores de crescimento (como IGF-1 e IGF-2) e aminoácidos. O mTOR também detecta os níveis celulares de nutrientes, oxigênio e energia. A via mTOR é uma reguladora central do metabolismo e da fisiologia dos mamíferos, com papéis importantes na função dos tecidos, incluindo fígado, músculo, tecido adiposo branco e marrom, e o cérebro, e é desregulada em doenças humanas, como diabetes, obesidade, depressão e certos tipos de câncer. A rapamicina inibe o mTOR associando-se ao seu receptor intracelular FKBP12. O complexo FKBP12-rapamicina liga-se diretamente ao domínio de ligação FKBP12-Rapamicina (FRB) do mTOR, inibindo sua atividade.
Nas plantas As plantas expressam o alvo mecanicista da rapamicina (mTOR) e têm um complexo de quinase TOR. Nas plantas, apenas o complexo TORC1 está presente, ao contrário do alvo de rapamicina dos mamíferos, que também contém o complexo TORC2. As espécies de plantas têm proteínas TOR nos domínios de ligação à proteína quinase e à FKBP-rapamicina (FRB) que compartilham uma sequência de aminoácidos semelhante à do mTOR em mamíferos.
Papel do mTOR nas plantas O complexo TOR kinase é conhecido por ter uma função no metabolismo das plantas. O complexo TORC1 é ativado quando as plantas estão vivendo as condições ambientais adequadas para sobreviver. Uma vez ativadas, as células vegetais passam por reações anabólicas específicas. Essas reações incluem o desenvolvimento da planta, a tradução do mRNA e o crescimento das células dentro da planta. No entanto, a ativação do complexo TORC1 impede a ocorrência de processos catabólicos, como a autofagia. Descobriu-se que a sinalização da quinase TOR nas plantas ajuda na senescência, na floração, no crescimento da raiz e da folha, na embriogênese e na ativação do meristema acima da coifa da raiz de uma planta. Descobriu-se também que o mTOR está altamente envolvida no desenvolvimento do tecido embrionário das plantas.
Complexos
O mTOR é a subunidade catalítica de dois complexos estruturalmente distintos: mTORC1 e mTORC2. Os dois complexos se localizam em diferentes compartimentos subcelulares, afetando assim sua ativação e função. Após a ativação por Rheb, o mTORC1 se localiza no complexo Ragulator-Rag na superfície do lisossomo, onde se torna ativa na presença de aminoácidos suficientes.
mTORC1 O Complexo mTOR 1 (mTORC1) é composto por mTOR, proteína associada à regulação de mTOR (Raptor), proteína 8 letal de mamífero com SEC13 (mLST8) e os componentes não essenciais PRAS40 e DEPTOR. Esse complexo funciona como um sensor de nutrientes/energia/redox e controla a síntese de proteínas. A atividade do mTORC1 é regulada pela rapamicina, insulina, fatores de crescimento, ácido fosfatídico, determinados aminoácidos e seus derivados (por exemplo, l-leucina e β- e ácido β-hidroxi β-metilbutírico), estímulos mecânicos e estresse oxidativo.
mTORC2 O Complexo mTOR 2 (mTORC2) é composto por mTOR, proteína companheira de mTOR insensível à rapamicina (RICTOR), mLST8 e proteína de interação a proteína quinase ativada por estresse de mamíferos (mSIN1). Foi demonstrado que o mTORC2 funciona como um importante regulador do citoesqueleto de actina por meio de sua estimulação das fibras de estresse de F-actina, paxilina, RhoA, Rac1, Cdc42 e proteína quinase C α (PKCα). O mTORC2 também fosforila a proteína quinase serina/treonina Akt/PKB no resíduo de serina Ser473, afetando assim o metabolismo e a sobrevivência. A fosforilação do resíduo de serina Ser473 da Akt pelo mTORC2 estimula a fosforilação da Akt no resíduo de treonina Thr308 pelo PDK1 e leva à ativação total da Akt. Além disso, o mTORC2 apresenta atividade de proteína quinase de tirosina e fosforila o receptor do fator de crescimento semelhante à insulina tipo 1 (IGF-1R) e o receptor de insulina (InsR) nos resíduos de tirosina Tyr1131/1136 e Tyr1146/1151, respectivamente, levando à ativação total do IGF-IR e do InsR.
Inibição pela rapamicina
A rapamicina (Sirolimus) inibe o mTORC1, resultando na supressão da senescência celular, o que parece proporcionar a maioria dos efeitos benéficos do medicamento (incluindo a extensão do tempo de vida em estudos com animais). A supressão da resistência à insulina pelas sirtuínas é responsável por pelo menos parte desse efeito. A sirtuína 3 prejudicada leva à disfunção mitocondrial.