Mechanistic target of rapamycin (mTOR), сильно законсервированная серин/треонин киназа, формирует два мульти-белковых комплекса, mTOR complex 1 (TORC1) и mTOR complex 2 (TORC2). Чувствительный к rapamycin комплекс mTORC1 реагирует на множественные сигналы и будучи активированным меняет клеточный метаболизм с катаболической на анаболическую программу, способствуя тем самым синтезу белков и росту клеток из-за репрессии аутофагии. Роль лизосом в контроле метаболических программ подчеркивается открытием, что активация этого мощного усиливающего синтез белков регулятора происходит в лизосомах в процессе, обеспечиваемого посредством ощущающего аминокислоты каскада с участием V-ATPase, Ragulator и Rag GTPases. Когда клетки обладают достаточными количествами аминокислот, то V-ATPase способствует активности guanine nucleotide exchange factor (GEF) в Ragulator, приводя к образованию активного комплекса RagA/B·GTP в лизосомах; в этой активной конфигурации, Rag соединяется с и поставляет mTORC1 в лизосомы, где киназа активируется с помощью Rheb (Ras homolog enriched in brain), малой GTPase, которая фиксирована на поверхности лизосом (Sancak et al, 2010; Zoncu et al, 2011; reviewed in Bar-Peled & Sabatini, 2014). Rheb является нижестоящей мишенью для tuberous sclerosis complex (TSC), который функционирует в качестве GTPase-activating protein (GAP) и превращает активный GTP-bound Rheb, чтобы инактивировать GDP-связанную форму, ингибируя тем самым активность mTORC1 (Inoki et al,2003; Demetriades et al, 2014; Menon et al, 2014).

Недавняя точка зрения на лизосомы как место активации mTORC1, вместе с давно известной ролью этой киназы в контроле мышечной массы, сделало исследования передачи сигналов mTORC1 особенно интересными для исследователей болезни Pompe, нарушения с тяжелой мышечной атрофией, характеризующимся изменением функции лизосом. Выраженная мышечная атрофия является характерным признаком болезни Pompe, редкого генетического нарушения, вызываемого дефицитом acid alpha-glucosidase (GAA), энзима, разрывающего гликоген на глюкозу внутри лизосом. Отсутствие энзима приводит к быстрой фатальной кардиомиопатии и скелетно-мышечной миопатии у детей; низкие же уровни активности остаточного энзима ассоциируют с начинающейся у детей и взрослых прогрессивной скелетно-мышечной миопатией, обычно без вовлечения сердца (Van der Ploeg & Reuser, 2008).

Введение замещающей энзимы терапии (ERT) изменяет естественный ход инфантильной формы, поскольку проявляется заметный эффект на сердечную мышцу; однако, эффект на скелетные мышцы скромный в лучшем случае (Kishnani et al, 2007; Strothotte et al, 2010; Van der Ploeg et al, 2010; Prater et al, 2012). Патофизиология мышечных повреждений связана с увеличением и разрывом заполненных гликогеном лизосом, нарушением гомеостаза кальция и эндоцитоза, митохондриальными аномалиями и дефектами аутофагии (Thurberg et al, 2006; Lim et al, 2014, 2015; Nascimbeni et al, 2015). Идет поиск более эффективной терапии. Однако, даже если мышцы очищены от гликогена и дебриса от аутофагии две главные патологии при болезни Pompe выраженная атрофия мышц, сохраняется и остается основной терапевтической проблемой.

Пути передачи сигналов, ответственные за потерю мышечной массы при болезни Помпе, в основном неизвестны, а исследования передачи сигналов mTOR дают конфликтующие результаты. Попытки усилить синтез белка путем стимуляции пути mTOR отражены в недавних данных, показавших, что добавление лейцина останавливает снижение мышечной массы и редуцирует накопление гликогена в GAA-KO мышцах (Shemesh et al, 2014). С др. стороны, очистка избытка мышечного гликогена, как было установлено, происходит у GAA-KO мышей с помощью mTORC1 ингибитора rapamycin; совместное воздействие rapamycin вместе с замещением энзима (recombinant human GAA; alglucosidase alfa, Myozyme®, Genzyme Corporation, a Sanofi Company) снижает содержание гликогена в мышцах больше, чем каждый rhGAA или rapamycin в отдельности (Ashe et al, 2010).

Данное исследование является первым системным анализом вышестоящих регуляторов и нижестоящих мишеней mTORC1 в мышечных клетках при болезни Помпе. Было установлено нарушение регуляции передачи сигналов mTOR в болезненных клетках - снижение базового уровня активности mTOR, ослабленная реакция на клеточные стрессы и неспособность перераспределения mTOR прочь из лизосом после голодания. Были выявлены молекулярные механизмы, лежащие в основе нарушения регуляции mTOR при болезни Pompe и идентифицированы точки для терапевтического вмешательства на пути передачи сигналов mTOR. Более того, были использованы целенаправленные подходы для устранения аномалий в таких прототипических нарушениях лизосомного хранения.

Реактивация mTOR в целых мышцах мышей с болезнью Pompe с помощью TSC нокдауна приводила к исчезновению атрофии и поразительному удалению аутофагических накоплений. Особенно интересным оказалось то, что аберрантная передача сигналов mTOR может быть устранена с помощью аргинина. Эта находка может быть использована в клинике и может стать примером целенаправленной терапии при лизосомных, метаболических и нейромышечных болезнях.

mTOR activity is diminished in the diseased muscle cells.

mTOR is not fully inactivated in the diseased cells after starvation.

mTOR remains at the lysosome irrespective of nutrient availability.

Lysosomal acidification defect and activation of the AMPK-tuberous sclerosis complex (TSC) pathway are the major culprits responsible for the defective mTOR signaling.

TSC inhibition and L-arginine treatments largely correct the defects.

Autophagy