Numerous studies have established a causal link between aberrant mammalian target of rapamycin (mTOR) activation and tumorigenesis, indicating that mTOR inhibition may have therapeutic potential. In this study, we show that rapamycin and its analogs activate the MAPK pathway in human cancer, in what represents a novel mTORC1-MAPK feedback loop. We found that tumor samples from patients with biopsy-accessible solid tumors of advanced disease treated with RAD001, a rapamycin derivative, showed an administration schedule–dependent increase in activation of the MAPK pathway. RAD001 treatment also led to MAPK activation in a mouse model of prostate cancer. We further show that rapamycin-induced MAPK activation occurs in both normal cells and cancer cells lines and that this feedback loop depends on an S6K-PI3K-Ras pathway. Significantly, pharmacological inhibition of the MAPK pathway enhanced the antitumoral effect of mTORC1 inhibition by rapamycin in cancer cells in vitro and in a xenograft mouse model. Taken together, our findings identify MAPK activation as a consequence of mTORC1 inhibition and underscore the potential of a combined therapeutic approach with mTORC1 and MAPK inhibitors, currently employed as single agents in the clinic, for the treatment of human cancers.

The mammalian Target of Rapamycin (mTOR) protein is a serine-threonine kinase that regulates cell-cycle progression and growth by sensing changes in energy status. We demonstrated that mTOR signaling plays a role in the brain mechanisms that respond to nutrient availability, regulating energy balance. In the rat, mTOR signaling is controlled by energy status in specific regions of the hypothalamus and colocalizes with neuropeptide Y and proopiomelanocortin neurons in the arcuate nucleus. Central administration of leucine increases hypothalamic mTOR signaling and decreases food intake and body weight. The hormone leptin increases hypothalamic mTOR activity, and the inhibition of mTOR signaling blunts leptin's anorectic effect. Thus, mTOR is a cellular fuel sensor whose hypothalamic activity is directly tied to the regulation of energy intake.

Mimicking Caloric Restriction The extended life span and resistance to age-related diseases in animals exposed to caloric restriction has focused attention on the biochemical mechanisms that produce these effects. Selman et al. (p. 140 ; see the Perspective by Kaeberlein and Kapahi ) explored the role of the mammalian ribosomal protein S6 kinase 1 (S6K1), which regulates protein translation and cellular energy metabolism. Female knockout mice lacking expression of S6K1 showed characteristics of animals exposed to caloric restriction, including improved health and increased longevity. The beneficial effects included reduced fat mass in spite of increased food intake. Thus, inhibition of signaling pathways activated by S6K1 might prove beneficial in protecting against age-related disease.

Tumor suppressor genes evolved as negative effectors of mitogen and nutrient signaling pathways, such that mutations in these genes can lead to pathological states of growth. Tuberous sclerosis (TSC) is a potentially devastating disease associated with mutations in two tumor suppressor genes, TSC1 and 2, that function as a complex to suppress signaling in the mTOR/S6K/4E-BP pathway. However, the inhibitory target of TSC1/2 and the mechanism by which it acts are unknown. Here we provide evidence that TSC1/2 is a GAP for the small GTPase Rheb and that insulin-mediated Rheb activation is PI3K dependent. Moreover, Rheb overexpression induces S6K1 phosphorylation and inhibits PKB phosphorylation, as do loss-of-function mutations in TSC1/2, but contrary to earlier reports Rheb has no effect on MAPK phosphorylation. Finally, coexpression of a human TSC2 cDNA harboring a disease-associated point mutation in the GAP domain, failed to stimulate Rheb GTPase activity or block Rheb activation of S6K1.

The bacterial macrolide rapamycin is an efficacious anticancer agent against solid tumors. In a hypoxic environment, the increase in mass of solid tumors is dependent on the recruitment of mitogens and nutrients. When nutrient concentrations change, particularly those of essential amino acids, the mammalian Target of Rapamycin (mTOR) functions in regulatory pathways that control ribosome biogenesis and cell growth. In bacteria, ribosome biogenesis is independently regulated by amino acids and adenosine triphosphate (ATP). Here we demonstrate that the mTOR pathway is influenced by the intracellular concentration of ATP, independent of the abundance of amino acids, and that mTOR itself is an ATP sensor.

Summary

 Dysfunctional mTORC1 signaling is associated with a number of human pathologies owing to its central role in controlling cell growth, proliferation, and metabolism. Regulation of mTORC1 is achieved by the integration of multiple inputs, including those of mitogens, nutrients, and energy. It is thought that agents that increase the cellular AMP/ATP ratio, such as the antidiabetic biguanides metformin and phenformin, inhibit mTORC1 through AMPK activation of TSC1/2-dependent or -independent mechanisms. Unexpectedly, we found that biguanides inhibit mTORC1 signaling, not only in the absence of TSC1/2 but also in the absence of AMPK. Consistent with these observations, in two distinct preclinical models of cancer and diabetes, metformin acts to suppress mTORC1 signaling in an AMPK-independent manner. We found that the ability of biguanides to inhibit mTORC1 activation and signaling is, instead, dependent on the Rag GTPases.

During the evolution of metazoans and the rise of systemic hormonal regulation, the insulin-controlled class 1 phosphatidylinositol 3OH-kinase (PI3K) pathway was merged with the primordial amino acid-driven mammalian target of rapamycin (mTOR) pathway to control the growth and development of the organism. Insulin regulates mTOR function through a recently described canonical signaling pathway, which is initiated by the activation of class 1 PI3K. However, how the amino acid input is integrated with that of the insulin signaling pathway is unclear. Here we used a number of molecular, biochemical, and pharmacological approaches to address this issue. Unexpectedly, we found that a major pathway by which amino acids control mTOR signaling is distinct from that of insulin and that, instead of signaling through components of the insulin/class 1 PI3K pathway, amino acids mediate mTOR activation by signaling through class 3 PI3K, hVps34.

Activation of 40S ribosomal protein S6 kinases (S6Ks) is mediated by anabolic signals triggered by hormones, growth factors, and nutrients. Stimulation by any of these agents is inhibited by the bacterial macrolide rapamycin, which binds to and inactivates the mammalian target of rapamycin, an S6K kinase. In mammals, two genes encoding homologous S6Ks, S6K1 and S6K2, have been identified. Here we show that mice deficient for S6K1 or S6K2 are born at the expected Mendelian ratio. Compared to wild-type mice, S6K1(-/-) mice are significantly smaller, whereas S6K2(-/-) mice tend to be slightly larger. However, mice lacking both genes showed a sharp reduction in viability due to perinatal lethality. Analysis of S6 phosphorylation in the cytoplasm and nucleoli of cells derived from the distinct S6K genotypes suggests that both kinases are required for full S6 phosphorylation but that S6K2 may be more prevalent in contributing to this response. Despite the impairment of S6 phosphorylation in cells from S6K1(-/-)/S6K2(-/-) mice, cell cycle progression and the translation of 5'-terminal oligopyrimidine mRNAs were still modulated by mitogens in a rapamycin-dependent manner. Thus, the absence of S6K1 and S6K2 profoundly impairs animal viability but does not seem to affect the proliferative responses of these cell types. Unexpectedly, in S6K1(-/-)/S6K2(-/-) cells, S6 phosphorylation persisted at serines 235 and 236, the first two sites phosphorylated in response to mitogens. In these cells, as well as in rapamycin-treated wild-type, S6K1(-/-), and S6K2(-/-) cells, this step was catalyzed by a mitogen-activated protein kinase (MAPK)-dependent kinase, most likely p90rsk. These data reveal a redundancy between the S6K and the MAPK pathways in mediating early S6 phosphorylation in response to mitogens.

Authors present workflows for the analysis of metabolism phenotypes in mice and recommend analysis of covariance to asses body composition effects. We present a consolidated view of the complexity and challenges of designing studies for measurement of energy metabolism in mouse models, including a practical guide to the assessment of energy expenditure, energy intake and body composition and statistical analysis thereof. We hope this guide will facilitate comparisons across studies and minimize spurious interpretations of data. We recommend that division of energy expenditure data by either body weight or lean body weight and that presentation of group effects as histograms should be replaced by plotting individual data and analyzing both group and body-composition effects using analysis of covariance (ANCOVA).