氨基酸诱导的mTORC1信号通路调控的分子机制研究

The mechanistic or mammalian Target Of Rapamycin Complex 1 (mTORC1) is a structurally and functionally conserved master regulator of cell growth and autophagy in multicellular eukaryotes. Defects in mTORC1 signaling have been reported as causes of many severe diseases, such as diabetes, obesity and cancers. Multiple environmental signals can modulate mTORC1 activity, including growth factors, stress, energy status, and nutrients. Nutrients such as amino acids can stimulate mTORC1 activity and thus promote cell growth, proliferation and differentiation. However, how amino acid levels are sensed and then transduced to mTORC1 is not well understood. Recent studies have demonstrated that the amino acid-induced mTORC1 activation occurs at the lysosomal membrane through a complex yet conserved signaling cascade involving several protein complexes, including human Ragulator, GATOR1, GATOR2, and Folliculin complexes, and yeast EGOC, SEACIT, and SEACAT complexes. In this project, we will carry out structural and functional studies of these protein complexes to investigate the molecular bases of the biological functions of the component proteins and the protein complexes and the protein-protein interactions, and to delineate the molecular mechanisms of their functional roles in mTORC1 signaling and cell growth, using a combination of structural biology, biochemistry, molecular biology, and cell biology. The ultimate goals are to elucidate the molecular bases for how the amino acid signals are sensed and then transduced to mTORC1 and how the mTORC1 signaling pathway is activated and inhibited. The derived structural and functional information will also provide insights into the relevance of dysfunctions of these proteins and the mTORC1 signaling pathway to the pathogenesis and development of important human diseases.

真核细胞中mTORC1是一个高度保守的蛋白激酶复合物，它通过感受和整合外界信息，如生长因子、能量状态和营养水平等，调控细胞生长发育和细胞自噬等重要生命过程。mTORC1功能失调会引起多种疾病，包括肥胖症、糖尿病和肿瘤。营养物质如氨基酸是mTORC1的重要激活因子，但氨基酸信号是如何激活mTORC1信号通路的机制还不清晰。最近发现氨基酸诱导的mTORC1信号通路的激活主要在溶酶体上进行，由一系列蛋白质复合物参与调控，包括人源Ragulator、GATOR1、GATOR2和Folliculin复合物，以及酵母EGO、SEACIT和SEACAT复合物等。本项目将运用结构生物学、生物化学、分子生物学和细胞生物学等方法，研究这些重要蛋白质复合物的结构和功能以及激活mTORC1信号通路的分子机理，最终阐明氨基酸是如何被感知并传导至mTORC1、以及mTORC1信号通路是如何被激活和抑制的分子机制。

真核细胞中mTORC1通过感受和整合外界信息，如生长因子、能量状态和营养水平等，调控细胞生长发育等重要生命过程，mTORC1信号通路的功能失调会引起多种疾病。氨基酸介导的mTORC1信号通路的激活主要在溶酶体上进行，多种蛋白质和蛋白质复合物参与这一复杂过程的调控，但它们的功能、结构和分子机制还不清晰。本项目运用结构生物学、生物化学和细胞生物学等方法，对这些蛋白质和蛋白质复合物的结构和功能开展了深入的研究。主要研究成果包括：（1）解析了人源Ragulator五元复合物的晶体结构，发现Ragulator复合物作为骨架蛋白发挥功能，其通过p18的N端结构域和MP1-p14亚复合物与小G蛋白RagA-C的Roadblock结构域结合，在氨基酸信号的激活下招募mTORC1定位到溶酶体上、并被小G蛋白Rheb激活。研究结果阐明了Ragulator复合物在mTORC1信号通路调控中的作用和分子机制。（2）解析了酵母EGOC五元复合物的晶体结构，发现酵母EGO-Gtr（EGOC）复合物和人源Ragulator-Rag复合物虽然不具有序列相似性和不同亚基组成，但具有相似的结构和相互作用关系，并且在mTORC1信号通路中发挥相似的功能。研究结果揭示了真核生物中氨基酸介导的mTORC1信号通路调控机制的保守性。（3）解析了人源小G蛋白Rheb的疾病相关突变体D60K和Y35N的晶体结构，阐明了这些突变体在调控mTORC1活性中的功能和分子机制，为针对这些突变体的药物设计提供了结构基础。另外，我们还对其他一些在细胞生命活动中发挥重要功能的蛋白质和蛋白质复合物开展了结构和功能研究，包括人源去泛素化酶USP46-WDR48-WDR20复合物、蛋白质甲基转移酶N6AMT-TRM112复合物、人源NAD-依赖的异柠檬酸脱氢酶IDH3全酶等，阐明了它们的生物学功能、调控机制和分子基础。总计解析了18个蛋白质和蛋白质复合物的晶体结构，并将结构信息储存于国际PDB数据库；在国际学术刊物上发表了标注该项目支持的研究论文9篇。培养研究员1名、副教授1名、高级实验师1名，培养博士研究生毕业5人、硕士研究生毕业5人。