Mechanistic target of rapamycin (mTOR) is a key protein kinase that integrates external signals, such as growth factors and nutrients, to control critical biological events, including growth and survival. Dysregulation of the mTOR signaling network reported in major human diseases, such as cancer, is tightly linked to aberrant mTOR activation. Substantial efforts to identify protein subunits interacting with mTOR have led to the identification of two multiprotein complexes, mTORC1 and mTORC2, although endogenous metabolite-mTOR interactions remain largely unknown at present. Here I have demonstrated direct binding of 13-S-hydroxyoctadecadienoic acid (13-S-HODE), an oxygenated metabolite of linoleic acid, to mTOR. By employing a series of biophysical and biochemical analyses, I elucidated that specific interactions of 13-S-HODE with the catalytic ATP-binding domain of mTOR prevented its kinase activity in an ATP-competitive manner. Moreover, direct treatment with 13-S-HODE inhibited the normal fibroblast cells as well as hyperactivity of mTOR mutants in vitro and growth of cultured endometrial cancer cells with hyperactive MTOR mutations. Overexpression of human arachidonate 15-lipoxygenase (ALOX15) that catalyzes synthesis of 13-S-HODE led to suppression of both mTORC1 and mTORC2 pathways in cells as well as in vivo growth of endometrial tumor xenografts. The collective results support a direct link between polyunsaturated fatty acid metabolism and the mTOR signaling network, providing novel insights into regulation of cancer cell growth through metabolic reprogramming
엠토르 단백질은 성장인자 및 영양물질과 같은 외부신호에 반응하는 세포 성장과 생존을 총괄하는 핵심 세린-트레오닌 키나아제로서, 이 신호전달 체계의 조절장애는 암과 같은 중요한 질병을 야기한다. 엠토르 단백질 복합체1과 복합체2 신호체계를 조절하는 많은 엠토르 결합 단백질들이 밝혀져 있는 반면, 엠토르 단백질과 결합하는 세포내 대사체에 대한 연구는 미미하다. 본 연구에서는 대사체학적 스크리닝을 통해 엠토르 단백질과 직접 결합하는 필수 불포화지방산인 리놀레익산 대사체인 13-옥타데카다이에노익산 (13-S-hydroxyoctadecadienoic acid (13-S-HODE))을 동정하였고, 이 결합이 엠토르 단백질의 활성을 억제함을 확인하였다. 생물물리학적 및 생화학적 분석을 통하여 13-S-HODE는 엠토르 단백질의 아데노신 삼인산-결합 부위에 직접 결합함으로써 아데노신 삼인산-경쟁적 엠토르 억제제로서 작동함을 규명하였다. 또한, 13-S-HODE 처리에 의해 섬유아세포 및 암세포의 엠토르 단백질 신호체계가 억제되고, 특히 암세포의 성장이 현저하게 저해됨을 관찰하였다. 13-S-HODE를 합성하는 효소인 아라키돈산 15-라이폭시지나아제를 엠토르 과활성 돌연변이를 갖는 자궁 내막암 세포에 과발현했을때, 엠토르 신호체계 및 성장이 세포 및 마우스 이종이식 실험에서 억제됨을 확인하였다. 이는 불포화지방산 유래 산화 대사체에 의해서 엠토르 신호전달 체계의 억제와 암세포의 성장이 조절될 수 있는 가능성을 시사한다.
