——背景——
雷帕霉素作用靶点复合物1(target of rapamycin complex1,mTORC1)是真核细胞整合代谢信号,感知营养状态,调控胞内活动和细胞生长的关键信号枢纽,其失调与多种疾病相关。之前人们已了解胞内的游离氨基酸能够通过由GATOR1、KICSTOR以及另一营养感应枢纽GATOR2组成的约2MDa超级复合物GATOR调控的Rag GTP酶激活mTORC1。GATOR2通过其WD40结构域的β-螺旋桨结构与GATOR1、亮氨酸感受器Sestrin1和Sestrin2(SESN1、SESN2),以及精氨酸感受器CASTOR1相互作用,感知细胞内氨基酸水平。然而,这些感受器如何调控GATOR2,以及它们在结合各自氨基酸配体后如何从GATOR2上解离的机制尚不清楚。近日,斯坦福大学的Kacper B. Rogala和捷克科学院有机化学和生物化学所的David M. Sabatini课题组解析了与Sestrin2或CASTOR1结合的稳定化GATOR2复合物的结构,揭示了氨基酸充足状态如何通过变构机制传递至GATOR2,并引发结构变化以实现mTORC1的激活的机制。
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GATOR=GATOR1+KICSTOR+GATOR2
GATOR2=WDR24+WDR59+MIOS+SEC13+SEH1L
——实验结果——
1.单链GATOR2的构建和结构解析
作者在之前研究中已经解析了GATOR2复合物的游离态结构,该复合物由WDR24、WDR59、MIOS、SEC13和SEH1L五个核心亚基共同表达后组装而成。然而作者在单颗粒分析过程中发现,大多数GATOR2颗粒并不完整,至少缺少一个参与和Sestrin2和CASTOR1互作的SEH1L或SEC13亚基。为此,作者设计了GATOR2的单链变体sc-GATOR2,分别将SEH1L或SEC13以内嵌的方式插入其天然的异源二聚体伙伴WDR24、MIOS或WDR59中。由于SEH1L或SEC13的β-螺旋桨结构需要互作伙伴提供三股β-折叠片来补全,这样的构建方式保证了GATOR2复合物组装的完整性。作者还通过细胞敲入实验验证了三个单链变体能够在缺失相应基因的细胞系中恢复氨基酸依赖性的mTORC1的激活,并且与分别表达GATOR2各组分效果相当。
然后作者HEK293F细胞中瞬时表达了sc-GATOR2,解析了3.47Å分辨率的sc-GATOR2的冷冻电镜结构。通过和野生型GATOR2结构比对,作者确认了sc-GATOR2和野生型结构的一致性(RMSD为1.1Å),并通过局部分辨率比对确认了SEH1L和SEC13密度的完整性。因此作者认为sc-GATOR2能够复现野生型GATOR2的功能。
图1.单链GATOR2的构建方式和sc-GATOR2, sc-GATOR2–Sestrin2, sc-GATOR2–CASTOR1复合物结构
2.GATOR2与Sestrin2的互作模式和感知亮氨酸的机制
为了获得GATOR2–Sestrin2复合物的结构,作者选择了一个无法与亮氨酸结合但是能够持续和GATOR2结合的Sestrin2突变体E451Q与sc-GATOR2共表达。然后以3.36Å的分辨率解析了sc-GATOR2–Sestrin2复合物的结构。
图2. sc-GATOR2–Sestrin2复合物结构和亮氨酸结合机制
sc-GATOR2–Sestrin2复合物结构中,Sertrin2结合在WDR24 β螺旋桨底面与SEH1L β-螺旋桨侧面形成的表面。其中,Sestrin2带负电的αC1、αC2螺旋上的Tyr349、Glu345和Asp364和WDR24 β-螺旋桨上带正电的Arg228存在互作(图2c),Sestrin2 αC3–αC4环上的Asp406、Asp407和Gln340形成一个氢键网络,稳定两个Sestrin2环,并与WDR24的Arg46和Arg121形成分子间氢键相互作用(图2d)。Sertrin2-WDR24-SEH1L三者的互作界面上广泛分布的疏水残基也为结合提供了支持,其中包括WDR24的Met273和Val274,Sestrin2的Leu191、Ile195、Leu351、Ile352、Leu355、Leu472和Leu479,以及SEH1L的Val110(图2e)。
接着,作者通过对WDR24缺失细胞回补WDR24突变体并通过免疫共沉淀实验证实了上述这些残基在GATOR2–Sestrin2互作中的重要性,尤其是WDR24的Arg46、Arg121和Arg228和Sestrin2的Asp406与Asp407对结合最为重要。基于这些结果,作者认为GATOR2–Sestrin2相互作用主要由WDR24上的碱性表面与Sestrin2上的酸性表面之间的静电相互作用驱动。
考虑到WDR24 β-螺旋桨是mTORC1激活所必需的,作者还尝试鉴定了WDR24激活mTORC1和结合Sestrin2时的结合模式差异,发现有些WDR24和Sestrin2结合的关键残基如Arg121的突变也会影响对mTORC1的激活,但有些如Arg46,Arg228则不影响。由此作者认为,GATOR2用部分重叠的界面既与Sestrin2结合,又参与mTORC1激活;而Sestrin是通过直接阻碍GATOR2与mTORC1的结合来发挥作用。
通过结合于sc-GATOR2的apo Sestrin2结构和结合亮氨酸的Sestrin2结构进行比较,作者发现,在Sestrin2与GATOR2结合时,Sestrin2的αC2–αC3环采取一种完全伸展的构象(图2j),而在亮氨酸结合时,该区域则折叠成覆盖结合口袋入口的紧凑的双链β-折叠“盖子”。而亮氨酸结合态Sestrin2中典型的αL1–αL2螺旋–环–螺旋结构在作者解析的结构中可能因柔性未被解析,所以作者认为亮氨酸结合与αC2–αC3环的收缩和连接区的重组相关。
图S2-1. 亮氨酸结合引起的结构改变
由于亮氨酸结合口袋与GATOR2结合界面位于Sestrin2的不同表面,亮氨酸诱导形成的αL1、αL2以及其连接区并不会直接与GATOR2发生冲突,因此作者认为存在亮氨酸驱动的变构重排来改变Sestrin2–GATOR2界面。在GATOR2结合状态下,Sestrin2的Asp406通过盐桥与WDR24的Arg46相互作用。同时,Asp406还与Sestrin2的Arg338侧链相互作用,使其朝向Sestrin2。而亮氨酸结合后,αL2中的Phe287会与Arg404冲突,使Arg404侧链朝向Arg338移动,而Arg338随后进一步靠近WDR24的Arg46,两者之间产生排斥作用。作者推测,这一变构级联反应通过Arg338与Arg46的排斥作用破坏了GATOR2–Sestrin2相互作用,如图S2-2。
图S2-2. 亮氨酸结合引起的解离机制
3. GATOR2与CASTOR1的互作模式和感知精氨酸的机制
作者采用类似制备Sestrin2复合物的方法,制备了sc-GATOR2–CASTOR1复合物,并解析了分辨率为3.40 Å的sc-GATOR2–CASTOR1 复合物的结构。
图3. sc-GATOR2–CASTOR1复合物结构和精氨酸结合机制
sc-GATOR2–CASTOR1复合物结构显示,CASTOR1以二聚体形式结合在GATOR2的支架区域,每个CASTOR1单体与一个MIOS β-螺旋桨的底面结合(图3a,b)。作者提到尽管也观察到CASTOR1结合在GATOR2另一侧的数据,但他们认为这是过量游离CASTOR1引起的非特异结合。
MIOS β-螺旋桨的三条连接环构成了CASTOR1的结合位点(图3 c,d)。其中,β3.2–β3.3环将其Arg137侧链伸入CASTOR1 ACT2–ACT4界面形成的缝隙,并与CASTOR1的Asp121形成盐桥,这是GATOR2–CASTOR1结合的关键相互作用(图3c)。两侧的MIOS环进一步通过氢键网络(Arg114、His136、Asp139、Asn184)维持其伸展构象。β2.4–β3.1环则通过Lys111、His112、Ala113的主链和侧链与CASTOR1的Ser258和Tyr118形成氢键。
然后,作者通过在MIOS 缺失的细胞系中进行回补实验,验证了MIOS Arg137对GATOR2–CASTOR1结合的重要性。Arg突变体MIOS的过表达不能引起如野生型一样对mTORC1的抑制作用,证明侧链精氨酸在介导分子互作中的重要性。
CASTOR1 的精氨酸结合口袋与GATOR2结合表面位于不同区域,因此作者推测精氨酸通过变构效应调节CASTOR1–GATOR2结合。精氨酸结合首先使口袋盖(β14–α7 环)压缩(图3h),进而导致α3螺旋发生约60°的弯折,α3螺旋弯折进一步带动β6–α3 环,使CASTOR1 Ala92与MIOS Arg137发生直接碰撞,从而破坏 CASTOR1–GATOR2 相互作用(图 3i)。
——总结——
GATOR2复合物是mTORC1信号通路中的关键营养感知枢纽,但氨基酸如何通过其对应感受器影响GATOR2的机制一直不清楚。本文作者很有创意地设计了sc-GATOR2的融合表达方式,成功解析了 GATOR2 与两类营养调控因子(Sestrin2与CASTOR1)结合时的结构,发现这两类蛋白结合在互不重叠的位点,并通过不同但部分共有的机制 抑制 GATOR2 功能。这为揭示 mTORC1 营养感知通路的调控逻辑的提供了重要线索,也为理性设计相关调控药物提供了理论基础。
参考文献:
Valenstein, M.L., Wranik, M., Lalgudi, P.V. et al. Structural basis for the dynamic regulation of mTORC1 by amino acids. Nature (2025). https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41586-025-09428-7
作者:郭 政
审稿:钟书辰
编辑:黄志贤
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