The functional interplay between eIF2alpha phosphorylation and mTOR signaling pathways: implications in Tuberous Sclerosis Complex disorder

Abstract

The mammalian target of rapamycin (mTOR) nucleates two complexes, namely mTOR complex 1 (mTORC1) and mTORC2, which are implicated in cell growth, survival, metabolism and cancer. The phosphorylation of the alpha subunit of the eukaryotic initiation factor eIF2 at serine 51 (eIF2αP) is a key regulator of mRNA translation and an important mechanism of adaptation of cells to various forms of environmental stress frequently associated with cancer formation. eIF2αP can act either as a promoter of cell survival or as an inducer of cell death in response to different forms of stress. Increased eIF2αP is mediated by a family of four kinases consisting of PKR, PERK, GCN2 and HRI, each of which becomes activated by distinct stimuli. In this study, we show that disruption of mTORC2, but not of mTORC1, induces eIF2αP through the activation of PERK. mTORC2 deficiency increases PERK activity owing to the ineffecive activation of AKT, which negatively controls PERK by phosphorylation at threonine 799. Moreover, pharmacological inhibition of mTOR with either rapamycin or the new generation of catalytic inhibitors also increases PERK activity and eIF2αP. Interestingly, rapamycin treatment induces eIF2αS51P through a mechanism that is independent of mTORC1 inhibition.The physiological relevance of our findings was substantiated in cells deficient in tuberous sclerosis complex (TSC), which have impaired mTORC2/AKT function, but increased mTORC1 activity. Our research shows that TSC-deficient cells exposed to ER stress exhibit increased levels of the PERK-eIF2αP arm, which functions as a compensatory mechanism to substitute for the loss of AKT and facilitate cell survival. TSC-deficient cells subjected to oxidative stress on the other hand, downregulate PERK-eIF2αP but activate the PKR-eIF2αP arm instead in an mTORC1-S6K1-mediated mechanism to promote cell death. Furthermore, we show that TSC-null cells deficient in eIF2αP have a greater tolerance to oxidative stress, leading to an increase in their tumorigenic potential and therefore allowing an earlier tumor incidence. Our study reveals that eIF2αP acts downstream of either mTORC2-AKT or mTORC1-S6K1 to promote either the survival or death of TSC-mutant cells in response to different stress-inducing drugs.La cible de la rapamycine chez les mammifères (mTOR) forme deux complexes, à savoir les complexes mTOR 1 (mTORC1) et 2 (mTORC2), lesquels sont impliqués dans la prolifération cellulaire, la survie, le métabolisme et le cancer. La phosphorylation de la sous-unité alpha du facteur d’initiation eucaryote eIF2 au niveau de la sérine 51 (eIF2αP) est un régulateur essentiel de la traduction des ARNm et un mécanisme important de l’adaptation des cellules face aux diverses formes de stress environnementaux fréquemment associés à la formation du cancer. eIF2αP peut agir comme promoteur de la survie cellulaire ou bien comme inducteur de la mort cellulaire en réponse aux différentes formes de stress. L’augmentation d’eIF2αP est médiée par une famille de quatre kinases constituée par PKR, PERK, GCN2 et HRI, chacune d’entre elles étant activée par des stimuli distincts. Dans cette étude, nous montrons que la perte de mTORC2, et non pas de mTORC1, induit eIF2αP via l’activation de PERK. L’absence de mTORC2 augmente l’activité de PERK en raison de l’activation insuffisante d’AKT, lequel contrôle négativement PERK par phosphorylation à la thréonine 799. De plus, l’inhibition pharmacologique de mTOR par la rapamycine ou par la nouvelle génération d’inhibiteurs catalytiques augmente aussi l’activité de PERK et eIF2αP. Fait intéressant, le traitement à la rapamycine induit eIF2αS51P par le biais d’un mécanisme indépendant de l’inhibition de mTORC1.La pertinence physiologique de nos résultats a été mise en évidence dans les cellules déficientes en sclérose tubéreuse complexe (TSC), lesquelles ont une fonction altérée de mTORC2/AKT mais qui présentent une augmentation de l’activité de mTORC1. Nos recherches montrent que les cellules déficientes en TSC exposées à un stress du réticulum endoplasmique (ER) augmentent les niveaux de la voie PERK-eIF2αP qui sert alors de mécanisme compensatoire pour remplacer la perte d’AKT et faciliter la survie cellulaire. D’autre part, les cellules déficientes en TSC assujetties à un stress oxydatif diminuent la voie PERK-eIF2αP mais active par contre celle de PKR-eIF2αP par un mécanisme médié par mTORC1-S6K1 pour promouvoir la mort cellulaire. Par ailleurs, nous montrons que les cellules TSC-nulles déficientes en eIF2αP ont une plus grande tolérance au stress oxydatif, ce qui conduit à augmenter leur potentiel tumorigène et donc permettre une incidence plus précoce des tumeurs. Notre étude révèle qu’eIF2αP agit en aval de mTORC2-AKT ou de mTORC1-S6K1 pour promouvoir la survie ou la mort des cellules déficientes en TSC en réponse aux différents traitements induisant le stress