mTORC1通过抑制自噬调控初级纤毛长度的机制及其在神经系统中的功能验证

《iScience》：Growth factor-independent mTORC1 signaling promotes primary cilia length via suppression of autophagy

本研究揭示了在生长因子非依赖条件下，mTORC1信号通路通过抑制自噬促进初级纤毛伸长的新机制。研究人员通过药理学、遗传学干预及体内外模型证实，mTORC1活性与纤毛长度呈正相关，而自噬激活则导致纤毛缩短。该发现为纤毛病（ciliopathies）等疾病机制提供了新的理论框架，对理解代谢感应与细胞器动态调控的关联具有重要意义。

　　

在细胞生命活动中，代谢调控与细胞器功能间的协调一直是生命科学研究的核心问题。初级纤毛作为大多数静息细胞表面的信号感受器，其长度变化直接影响细胞对外界信号的接收能力。而雷帕霉素机制靶点复合物1（mTORC1）作为细胞代谢的核心调控者，其在非增殖细胞中对纤毛结构的调控作用尚存争议。既往研究曾报道mTORC1激活可促进斑马鱼胚胎纤毛伸长，但在哺乳动物上皮细胞中却观察到相反结果，这种矛盾凸显了该领域亟待厘清的科学问题。

为系统解析mTORC1与纤毛长度的因果关系，哈佛大学研究团队在《iScience》发表的最新研究中，通过多维度实验设计揭示了mTORC1-自噬轴调控纤毛动态平衡的新机制。研究人员首先建立人视网膜色素上皮细胞（RPE1）血清饥饿模型，发现24小时血清剥夺可诱导细胞周期停滞并形成稳定纤毛体系。值得注意的是，使用mTOR抑制剂雷帕霉素或Torin1处理虽不影响纤毛形成率，却显著缩短纤毛长度，且该效应具有时间依赖性和可逆性。为排除细胞周期干扰，研究团队通过EdU掺入实验和p27^K-标记证实，mTORC1介导的纤长调控独立于细胞增殖状态。

在机制探索层面，研究通过GFP-LC3-RFP自噬流报告系统发现，mTORC1抑制导致的纤毛缩短与自噬激活密切相关。当使用巴弗洛霉素A1或氯喹抑制溶酶体功能，或通过CRISPR-Cas9技术敲除自噬关键基因ATG7、ULK1时，纤毛呈现显著伸长且对mTOR抑制剂不再敏感。尤为重要的是，在TSC1/2缺失引起的mTORC1过度激活细胞中，自噬流明显受抑，纤毛长度增加，且巴弗洛霉素A1无法进一步诱导纤毛伸长，这充分说明mTORC1确实通过抑制自噬促进纤毛生长。

为验证该机制的生理相关性，研究延伸至小鼠原代神经元及活体脑组织。在体外培养的皮质神经元中，Torin1处理引起纤毛缩短，而巴弗洛霉素A1则促进伸长。利用Tbc1d7基因敲除小鼠模型，发现mTORC1信号增强的神经元具有更长纤毛，且该表型可被雷帕霉素逆转。在活体层面，连续一周腹腔注射雷帕霉素的成年小鼠，其海马体、丘脑和下丘脑区域的纤毛长度显著缩短，证实mTORC1对纤毛的调控在哺乳动物神经系统中具有保守性。

本研究主要采用基因编辑技术（如CRISPR-Cas9构建稳定敲除细胞系）、活细胞成像（GFP-Arl13B标记纤毛动态）、免疫荧光染色（检测纤毛结构蛋白）、蛋白质免疫印迹（分析信号通路活性）以及小鼠模型（包括原代神经元培养和体内给药）等方法。所有小鼠实验均遵循哈佛医学院动物伦理委员会规范。

mTORC1抑制缩短初级纤毛

通过血清饥饿诱导RPE1细胞纤毛形成后，发现雷帕霉素、Torin1处理或氨基酸剥夺均可剂量依赖性地缩短纤毛长度，且该过程不影响纤毛形成率或细胞体积。

mTORC1信号通路的遗传学验证

利用可诱导性shRNA敲低MTOR基因表达，或构建TSC1/2、TBC1D7敲除的等基因细胞系，证实mTORC1活性与纤毛长度呈正相关。在Tsc2缺失MEF细胞中重现纤毛伸长表型，且通过TSC2回补可逆转该效应。

自噬介导mTORC1对纤毛长度的调控

自噬抑制剂处理可诱导纤毛伸长并抵抗mTORC1抑制的缩短效应。敲除自噬相关基因（ATG7、ULK1、BECN1）或转录因子TFEB均模拟mTORC1激活的纤毛表型。

mTORC1在神经系统中调控纤毛长度

原代皮质神经元实验显示mTORC1-自噬轴对纤毛的调控在神经细胞中保守存在。Tbc1d7缺失小鼠神经元纤毛伸长，且体内雷帕霉素给药可改变特定脑区纤毛长度。

本研究最终确立mTORC1-自噬轴作为纤毛长度调控的核心通路，阐明营养感应与细胞器形态重塑的内在联系。该发现不仅为解释既往研究中矛盾结论提供统一框架，更将mTORC1信号异常相关疾病（如结节性硬化症）与纤毛病建立分子关联，为相关疾病治疗提供新靶点。值得注意的是，mTORC1对纤毛的调控独立于其促增殖功能，这为理解静息细胞中mTORC1的生理功能开辟新视角。未来研究需进一步揭示自噬选择性降解纤毛组分的具体机制，以及该通路在组织稳态和疾病发生中的时空特异性调控规律。