Mol. Cell | 刘颖课题组揭示氨基酸调控mTORC1信号通路活性新机制

　　细胞需要精确感知外界营养物质含量以改变自身代谢进程，从而调整细胞生长状态【1】。mTORC1复合物作为关键的营养物质感受调节器，当营养物质充足时，mTORC1信号通路活化，促进合成代谢，而营养物质匮乏时，mTORC1被抑制，促进分解代谢，进而减缓细胞生长【2】。

　　氨基酸作为关键的蛋白质合成元件，一般认为能够通过结合直接的感受蛋白（氨基酸受体）被细胞感知，进而将信号传递给mTORC1。亮氨酸作为mTORC1激活所必需的氨基酸，其感知机制重要且复杂。除了新近报道的亮氨酸受体蛋白SAR1B（Nature | 刘颖课题组揭示SAR1B感知细胞内亮氨酸浓度调控mTORC1活性）【3】，另一受体蛋白Sestrin2也在此前被报道对于mTORC1的活化至关重要【4,5】，然而亮氨酸如何通过结合Sestrin2从而影响下游生物学进程却并不清楚。

　　2022年2月2日，北京未来基因诊断高精尖创新中心、北京大学未来技术学院分子医学研究所、北大-清华生命科学联合中心刘颖课题组在Molecular Cell杂志发表了题为E3 ligase RNF167 and deubiquitinase STAMBPL1 modulate mTOR and cancer progression的研究论文，报道了泛素连接酶RNF167和去泛素化酶STAMBPL1协同调控亮氨酸感知蛋白Sestrin2 K63类型多聚泛素化修饰水平以影响Sestrin2调控mTOR的机制，及其对结直肠癌发生的影响。

　　研究人员首先发现了氨基酸的缺乏会促进Sestrin2泛素化修饰的发生，通过筛选鉴定出其泛素连接酶RNF167及去泛素化酶STAMBPL1。Sestrin2作为亮氨酸的感受蛋白，可以直接结合亮氨酸。体外实验表明，亮氨酸与Sestrin2的结合会直接减弱Sestrin2与RNF167的互作，同时能够增强Sestrin2与STAMBPL1的结合，进而导致亮氨酸缺乏时，Sestrin2 K63类型泛素化程度发生上调。

　　GATOR2复合物（由Mios, WDR24, WDR59, Seh1L和Sec13蛋白组成）是mTORC1感知氨基酸信号通路中的关键正调控因子，前期研究报道Sestrin2通过与GATOR2复合物结合从而影响mTORC1，在亮氨酸缺乏情况下，Sestrin2与GATOR2互作上升【4-8】。为了研究Sestrin2的泛素化修饰对于其结合GATOR2是否有影响，研究人员通过体外泛素化实验构建了不同泛素化修饰程度的Sestrin2，发现随着泛素化修饰程度的上升，Sestrin2与GATOR2的结合更紧密。相应地，在细胞中过表达RNF167或者敲除STAMBPL1也能够促进Sestrin2与GATOR2组分WDR24的相互作用。因此在Sestrin2感知亮氨酸过程中，其K63类型多聚泛素化修饰起到了关键作用：亮氨酸缺乏时，Sestrin2与RNF167结合导致自身泛素化修饰的发生，增强其与GATOR2的结合，抑制mTORC1；当亮氨酸充足时，Sestrin2与亮氨酸结合会促使其结合STAMBPL1，去除自身泛素化修饰，从而与GATOR2解离，使GATOR2能够激活mTORC1（下图）。

　　图：Sestrin2调控mTORC1依赖于自身泛素化修饰。

　　mTORC1信号通路失调往往与癌症发生紧密相关。研究人员通过生物信息学分析，发现在多种癌症、尤其是结直肠癌中，出现了RNF167低表达、STAMBPL1高表达的现象。为了研究该机制在癌症发展过程中的重要作用，研究人员构建了裸鼠皮下瘤移植模型。敲除STAMBPL1会抑制小鼠皮下瘤发生，而在此基础上敲除GATOR1（GATOR2下游效应因子，能够抑制mTORC1活化）组分DEPDC5或NPRL2则会抵消STAMBPL1缺失所带来的抑制效应，证明了STAMBPL1发挥促癌功能是通过STAMBPL1- GATOR-mTORC1这一信号传递过程实现。此外，研究人员通过分析STAMBPL1在肿瘤中的突变情况，发现了一个常见的突变：K405Rfs*21，该突变能够显著增强STAMBPL1与Sestrin2的相互作用。结直肠癌细胞系LS174T自身便携带此突变，通过内源Knock-in的方式将该处突变重新纠正回野生型（K405Rfs*21 corrected）便能够显著抑制细胞mTORC1活化及肿瘤发生。基于该基因在肿瘤发生中的促癌作用，研究人员进一步合成了阻断STAMBPL1与Sestrin2互作的多肽（T-3），发现可以抑制结直肠癌细胞mTORC1活化程度及生长。

　　综上，研究人员发现了Sestrin2作为亮氨酸感知蛋白发挥生物学功能所需的重要翻译后修饰，并详细解析了其传递亮氨酸信号至mTORC1的分子机制。通过生物信息学分析和建立裸鼠皮下瘤模型，证明了该机制在结直肠癌发生发展过程中的重要作用。同时针对该靶点，研究人员设计了多肽类药物，并初步展现了良好的抑癌效应，将来有望成为治疗结直肠癌的新方法。

　　北京大学刘颖教授为本文通讯作者，北京大学未来技术学院分子医学研究所博士研究生汪冬和徐晨晨为本研究共同第一作者，元培学院本科生杨文予、北京大学陈杰博士、欧宇辉博士、博士研究生管媛媛、关嘉良均对本工作做出重要贡献。

　　论文链接：

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1097276522000028

　　参考文献

　　1. Kim, J. and K.L. Guan, mTOR as a central hub of nutrient signalling and cell growth. Nat Cell Biol, 2019. 21(1): p. 63-71.

　　2. Liu, G.Y. and D.M. Sabatini, mTOR at the nexus of nutrition, growth, ageing and disease. Nat Rev Mol Cell Biol, 2020. 21(4): p. 183-203.

　　3. Chen, J., et al., SAR1B senses leucine levels to regulate mTORC1 signalling. Nature, 2021. 596(7871): p. 281-284.

　　4. Wolfson, R.L., et al., Sestrin2 is a leucine sensor for the mTORC1 pathway. Science, 2016. 351(6268): p. 43-8.

　　5. Saxton, R.A., et al., Structural basis for leucine sensing by the Sestrin2-mTORC1 pathway. Science, 2016. 351(6268): p. 53-8.

　　6. Chantranupong, L., et al., The Sestrins interact with GATOR2 to negatively regulate the amino-acid-sensing pathway upstream of mTORC1. Cell Rep, 2014. 9(1): p. 1-8.

　　7. Kim, J.S., et al., Sestrin2 inhibits mTORC1 through modulation of GATOR complexes. Sci Rep, 2015. 5: p. 9502.

　　8. Parmigiani, A., et al., Sestrins inhibit mTORC1 kinase activation through the GATOR complex. Cell Rep, 2014. 9(4): p. 1281-91.