细胞应激条件下NLK调控mTORC1的机制和功能研究

mTORC1 complex, which contains the essential component mTOR kinase, is the one of the major sensors of environmental conditions. mTORC1 is activated by growth factors and nutrients, which profoundly promotes anabolism and at the same time suppresses catabolism. On the other hand, mTORC1 is significantly inhibited by stress conditions, although the mechanism remains elusive. Stress conditions have intense influence on cell survival, growth and metabolism, but how cells sense and response to stress is still not fully understood. In our pilot screening using a kinase library, we found NLK, a member of MAPK family, strongly inhibited mTORC1. Consistently, knockout of Nlk gene rendered mTORC1 resistant to stress induced inhibition. Moreover, NLK could be activated by stress conditions such as hyperosmotic or oxidative stress. These results suggest that NLK may be a news sensor of stress conditions and mediates the stress induced inhibition on mTORC1. Based on this hypothesis, the current proposal will look into the molecular mechanisms of how NLK inhibits mTORC1 signaling pathway. We will also investigate the role of the NLK-mTORC1 pathway in the maintenance of cellular physiological homeostasis in response to stress. We hope that this work will provide new clues for the cure of diseases caused by abnormal stress responses.

以mTOR激酶为核心的mTORC1复合物是细胞感知外界环境因子的核心感受器。mTORC1可被细胞外的生长因子和营养物质激活，从而促进细胞内的合成代谢并抑制分解代谢；另一方面，应激条件可显著抑制mTORC1，但相关分子机制尚未被阐明。应激条件对细胞的生存、生长以及代谢有着重要的调节作用，然而细胞对应激条件响应的机制仍有许多未知的问题。在前期工作中，本申请人通过激酶文库筛选，发现MAPK家族的NLK激酶可显著抑制mTORC1活性；反之，Nlk基因的缺失可显著降低mTORC1信号对应激条件的响应。我们还发现，NLK的激酶活性可被应激条件激活。这些结果表明，NLK可能是响应细胞应激条件并抑制mTORC1的重要中间因子。基于此，本项目拟深入研究NLK对mTORC1信号通路的调节机制，并探讨NLK介导的细胞应激反应对细胞和机体维持正常生理功能的重要性，为揭示应激反应异常相关疾病的发病机理提供新的线索。

mTORC1是细胞生长的核心调节分子，它也是细胞感知外界营养物质条件和环境因素的主要感受器之一。在外界营养物质充足且无环境压力的情况下，mTORC1表现为活化状态，并通过激活不同的下游分子促进基因转录、核糖体生成、蛋白质合成和脂类合成等合成代谢过程，从而促进细胞生长。另一方面，当细胞在处于不利的环境或遇到有害的刺激（也称应激条件）时，mTORC1信号通路显著地受到应激条件的抑制；然而，其中的分子机制一直没有被充分地阐明。. 在本项目的研究中，我们发现一种非经典的丝裂原活化蛋白激酶NLK可以被高渗透压和过氧化等应激条件激活，并介导应激条件对mTORC1的抑制作用。运用CRISPR-Cas9基因编辑技术，我们在细胞中特异性敲除Nlk基因，证实了NLK对于应激反应调控mTORC1的重要性，并发现Nlk基因的缺失显著影响了细胞对应激条件的适应性。我们进一步对NLK抑制mTORC1的分子机制进行了深入地研究，并发现NLK可以磷酸化mTORC1复合物中的Raptor亚基的Ser863位点，该位点的磷酸化破坏了Raptor与溶酶体表面的Rag复合物的结合，从而破坏了mTORC1活化所必需的溶酶体表面定位。随后我们又利用CRISPR-Cas9技术成功地将内源Raptor蛋白的S863位点突变，在完全内源的水平证实了S863位点在mTORC1活性调控以及NLK对mTORC1抑制作用中的关键作用。. 综上所述，本项目的研究结果揭示了调控细胞生长的核心复合物mTORC1受应激条件调控的分子机制，并提出NLK是一种新的细胞内应激感应激酶，对于我们理解细胞的应激反应过程有着重要的指导意义。