The role of mTOR signalling in translational control and cancer

Abstract The serine/threonine kinase mTOR plays a critical role in the regulation of cellular proliferation, growth, differentiation, autophagy, and cytoskeletal organization. Two mTOR containing complexes exist in mammalian cells: mTORC1 and mTORC2. mTORC1 mediates its effects through the control of mRNA translation initiation via phosphorylation of its two major downstream targets: the 4E-BPs and S6Ks. In order to study the individual roles of S6Ks and 4E-BPs downstream of mTORC1, we utilized new active-site mTOR inhibitors and cells deficient for either 4E-BPs or S6Ks. Surprisingly, we found that 4E-BPs and S6Ks play distinct roles in mediating the activity of mTORC1, with the 4E-BPs mediating cell proliferation and the S6Ks regulating cell growth. The effects of active-site mTOR inhibitors on cell proliferation, cell cycle progression, and protein synthesis were highly attenuated in cells lacking expression of 4E-BPs (4E-BP DKO), while these processes were significantly inhibited in wild-type cells. However, the growth of 4E-BP DKO cells was equally sensitive to active site mTOR inhibitors, as compared to their wild-type counterparts. In contrast, the growth of S6K1/2 null cells was refractory to the effects of active site mTOR inhibitors, whereas these cells were fully sensitive to the effects of the inhibitors on proliferation and cell cycle progression. These data support a model whereby the mTORC1 proliferative and growth signals diverge in mammalian cells to provide a system that allows for increased flexibility in the maintenance of full body homeostasis. mTOR is often over-activated in human cancers and as a result, has emerged as a target for anti-cancer therapies. The anti-diabetic drug metformin was recently identified as a potential anti-cancer agent. To elucidate its mechanism of action, we studied its effects on breast cancer cell proliferation, mTOR signalling and mRNA translation. In bRésumémTOR est une sérine/thréonine kinase qui joue un rôle primordial dans lecontrôle de plusieurs fonctions cellulaires, incluant la prolifération, la croissance, ladifférentiation, l'autophagie et la réorganisation du cytosquelette. Les cellulesmammifères possèdent deux complexes protéiques contenant mTOR, soit mTORC1 andmTORC2. mTORC1 exerce son action en contrôlant l'initiation de la traduction desARN messagers via la phosphorylation de ses principaux effecteurs : les 4E-BP et lesS6K. Dans le but de mieux comprendre les fonctions spécifiques des 4E-BP et des S6Ken aval de la signalisation cellulaire initiée par mTORC1, nous avons utilisé de nouveauxinhibiteurs spécifiques au site actif de mTOR, ainsi que des cellules n'exprimant pas les4E-BP ou les S6K. Nous avons découvert que les 4E-BP et les S6K jouent des rôlesdistinct en aval de mTORC1, les 4E-BP étant principalement impliquées dans laprolifération cellulaire, alors que les S6K jouent un rôle dans le contrôle de la croissancecellulaire. Les effets des inhibiteurs spécifiques au site actif de mTOR sur la proliférationcellulaire, la progression à travers le cycle cellulaire et la synthèse protéique sontfortement atténués dans les cellules nulles pour les 4E-BP, alors qu'ils sont inhibés demanière importante dans les cellules de type sauvage. Cependant, la croissance descellules 4E-BP nulles, en présence des inhibiteurs spécifiques au site actif de mTOR, estla même que celle observée pour les cellules de type sauvage. À l'opposé, la croissancedes cellules S6K nulles n'est pas affectée par ces inhibiteurs, tandis que les inhibiteursconservent leurs effets négatifs sur la prolifération et la progression au travers du cyclecellulaire dans ces mêmes cellules. Ces résultats sont en accord avec un modèle danslequel la signalisation en aval de mTORC1, pour promouvoir la prolifération et lacroissance cellulai