研究揭示mTORC1信號通路調控機制

近日， 中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所丁建平研究組的研究成果， 以 Structural Basis for Ragulator Functioning as a Scaffold in Membrane-anchoring of Rag GTPases and mTORC1為題， 線上發表在 Nature Communication上， 該工作揭示了 Ragulator 五元複合物的組裝機制， 以及 Ragulator 複合物調控 mTORC1 信號通路的分子機制。

真核細胞中 mTORC1 是高度保守的蛋白激酶複合物， 通過感受和整合外界資訊， 如生長因數、能量狀態和營養水準等， 調控細胞生長發育和細胞自噬等重要生命過程。 mTORC1 信號通路的功能失調會引起多種疾病， 包括肥胖症、II型糖尿病和腫瘤等。 營養物質如氨基酸是 mTORC1 的重要啟動因數。 研究發現， 氨基酸介導的 mTORC1 信號通路的啟動在溶酶體上進行，

由一系列蛋白質複合物參與這一複雜過程的調控， 其中 Ragulator 五元複合物作為該信號通路的核心骨架， 調控 Rag小 G 蛋白和 mTORC1 在溶酶體上的定位， 但 Ragulator 複合物如何組裝並招募下游蛋白的作用機制尚不清晰。

丁建平研究組長期從事 mTORC1 信號通路調控的分子機制研究， 先後測定了 mTORC1 信號通路中一些重要調控蛋白包括 Rheb、TCTP、S6K 和 Ego3 的結構， 揭示了它們在 mTORC1 信號通路中發揮生物學功能的分子基礎， 完成了酵母 TORC1 信號通路中 Ego1-Ego2-Ego3 三元複合物的晶體結構測定和功能分析， 以及 mTORC1 信號通路上遊人源精氨酸感應蛋白 CASTOR1-arginine 複合物的結構測定和對底物的識別機制。 在此基礎上， 丁建平研究組對 mTORC1 信號通路開展了進一步研究， 測定了 Ragulator 五元複合物的晶體結構，

發現 Ragulator 複合物中包含 MP1-p14 和 HBXIP-C7orf59 兩個亞複合物， 並由 p18 亞基介導兩個亞複合物的結合、組裝成五元複合物。 通過結構分析和功能實驗驗證， 發現 Ragulator 複合物作為骨架蛋白發揮功能， 通過 p18 的 N 端結構域和 MP1-p14 複合物兩個結合位點與 Rag 小 G 蛋白的 Roadblock 結構域結合， 並在氨基酸等信號因數的啟動下進一步招募 mTORC1 定位在溶酶體上。 結構分析和體外活性測定否定了早期認為的 Ragulator 具有針對 Rag 小 G 蛋白的 GEF 活性， 並預測存在尚未鑒定的 GEF 蛋白與 Ragulator 複合物結合， 共同啟動下游 Rag 小 G 蛋白。 研究發現， mTORC1 信號通路的抑制因數 C17orf59， 通過競爭性結合 Rag 小 G 蛋白在 MP1-p14 複合物上的結合位點， 抑制 Rag 小 G 蛋白在溶酶體上的定位， 從而抑制下游 mTORC1 活性。 通過結構比較發現， 人源 Ragulator 複合物和酵母 Ego1-Ego2-Ego3 複合物在結構上非常相似， 表明這兩個複合物在 mTORC1/TORC1 信號通路中發揮相似的功能。 這些研究結果進一步闡釋了氨基酸等營養物質對 mTORC1 信號通路的調控機制， 並為 mTORC1 功能異常相關疾病研究和基於 mTORC1 信號通路的藥物設計提供了重要資訊。

研究工作得到國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項和中科院青年創新促進會的支持。

a.Ragulator 複合物招募 Rag 小 G 蛋白和 mTORC1 複合物在溶酶體上定位的工作模型；b.人源 Ragulator 複合物和酵母 Ego1-Ego2-Ego3 複合物結構上非常相似， 表明這兩個複合物在 mTORC1/TORC1 信號通路中發揮相似的功能。