mTORC1调控的逻辑门——解码Rag GTPases差异调控

撰文丨酶美

mTORC1复合体是细胞合成代谢的开关，它感知整合细胞能量、营养水平和生长因子刺激的影响，促进细胞生长，同时抑制分解代谢。在营养富足的条件下，Ragulator-Rag GTPase负责招募mTORC1到生物大分子降解循环的细胞器溶酶体表面执行其功能。细胞营养状态通过Rag GTPases来实现对mTORC1活性的调控。其中氨基酸水平变化通过感受器-GATOR2-GATOR1来到Rag GTPase RagA/RagB操控其GTP-GDP之间的切换。而FLCN-FNIP2和亮氨酸tRNA合成酶则控制了RagC/RagD、RagD。

工作时Rag GTPases是一个二聚体，必须是RagA/B（ GTP）:RagC/D （GDP）一个异源二聚体方可招募mTORC1。RagA/B和RagC/D在主要功能结构域同源性非常高，一直被认为在功能上可互相替代。然而它们在N端和C端序列上差别大，提供了差异调节的基础。以往研究亮氨酸tRNA合成酶只能调节RagD，进一步提示了四个Rag蛋白可能的不同。

近日，来自德国马普衰老生物学研究院的Constantinos Demetriades团队和德国科隆癌症研究中心Aurelio A. Teleman团队在Nature Cell Biol发表背靠背的两项研究，分别题为：A Rag GTPase dimer code defines the regulation of mTORC1 by amino acids和Brain-enriched RagB isoforms regulate the dynamics of mTORC1 activity through GATOR1 inhibition。两项研究展示了Rag的全面不同：Rag对mTORC1体系复合体不同亲和力，对营养状态有不同响应，在组织间不同分布因而形成器官的差别反，以及Rag对下游底物的差异调控。通过不同Rag组合，哺乳动物实现了对mTORC1在多场景下时空差异调节。

两支团队均利用Rag敲除的细胞系，再分别表达不同组合的Rag二聚体基因，以探究Rag的不同之处。

Demetriades团队构建了Rag全敲除293FT细胞系，再分别建立Rag稳转细胞。他们观察到RagA/D表达可以恢复mTORC1溶酶体定位和mTORC1下游底物TFEB/TFE3磷酸化，TFEB/TFE核定位消失。RagA/C这对组合里，mTORC1溶酶体定位信号较少；虽然下游底物S6K磷酸化水平明显升高，但RagA/C难以检测到TFEB/TFE3磷酸化信号，仍可见部分细胞TFEB/TFE3入核。随着TFEB/TFE3入核减少，相应溶酶体生成和水解酶生产也减少。与此一致，在RagA/D组合里，溶酶体生成和水解酶生成回复到野生型细胞水平；而RagA/C组合细胞里，仍可见一定水平的溶酶体及溶酶体水解酶增加。

Demetriades团队进一步 深入追溯RagC和RagD对TFEB/TFE3的差异调节能力。免疫共沉淀实验检测到RagD亚基对p18/LAMTOR1具有更强结合，RagD异源二聚体更多被招募到溶酶体。将Rag亚基作为诱饵，溶酶体沉淀LysoIP表明，RagD沉淀将获得更多溶酶体。序列交换实验证明RagD亚基的N端和C端非结构域序列赋予了RagD对LAMTOR更强的结合力。研究还发现RagC蛋白的癌症突变RagCT90N and RagCW115R取得了类似于RagD的超能力，mTORC1活性升高，TFEB/TFE3磷酸化增加，该项结果佐证了RagD实验结果。

Teleman团队首先观察到四个Rag蛋白在组织间的不同分布，其中RagB有长和短两种亚型，其中RagBshort在脑组织具有高水平表达。一直以来，人们观察到营养缺乏条件下，宫内胎儿发育出现一定停滞而大脑发育则免于影响的情况。在缺氧状况时，胎儿大脑也有类似现象。因此团队对RagB亚基进行了一番探索。

团队构建了RagA/B双敲除细胞系，再稳定表达RagA或者RagB基因。在氨基酸匮乏条件下，Rag A/B被切换到GDP连接，mTORC1失去溶酶体定位，下游底物磷酸化降低。团队观察到RagA和RagB分别回复表达的细胞对氨基酸水平变化响应能力出现了很大差别。氨基酸饥饿条件下，RagBshort和RagBlong表达的细胞仍有mTORC1在溶酶体定位，下游底物S6K，TFEB/TFE3和4EBP-1磷酸化水平有很大保持，说明了RagB可以抵御营养缺乏对Rag GTPase的抑制，保持mTORC1部分活性，保证细胞生物合成进行。RagBshort和RagBlong 在营养充足条件下，出现不同的表现。RagBlong 对mTORC1招募不足，和Raptor的结合也较弱。

Teleman团队下一步探索了RagA/B在调控机制上的差异。氨基酸水平变化通过感受器-GATOR2-GATOR1来控制 RagA/RagB的活性，研究发现GATOR1对RagB两个亚型的控制力较弱。通过序列互换和 体外GAP活性实验的结果表明，RagBshort和GATOR1复合体组分DEPDC5在其抑制结构域的结合较多，从而抑制了GATOR1的GAP活性。RagBlong主要在非GTP结合状态下和GATOR1产生强结合，行使了类似海绵缓存的功能，将GATOR1带离RagA/B蛋白。同时，RagBlong 可抑制GATOR1的GAP活性，RagB两个亚型对GAP活性的抑制作用存在加和效应。

总结Teleman团队对RagB的研究探索不难看出，由于RagB对GATOR1活性的抵抗抑制，而RagB在脑组织的高表达，使得我们大脑在压力应激情况下仍然保持了mTORC1一定的活性，生物合成得以在脑组织继续。不好的是，TGCA和CCLE研究发现RagB/RagA表达水平比例在一些特定癌症种类中很高，提示了肿瘤组织在营养匮乏的生长条件下可通过提高RagB表达来保证生物合成的进行。

作为背靠背发表的研究，两个团队对对方的主要成果也进行了验证。这两篇NCB研究通过详实的实验数据展现了生物对mTORC1活性的精细时空调节，RagA/B-RagC/D形成了mTORC1活性调节的二相逻辑门，通过Rag表达、分布和蛋白互作的差别形成了mTORC1活性的精细调控。

制版人：十一

原文连接

1. https://doi.org/10.1038/s41556-022-00976-y

2. https://doi.org/10.1038/s41556-022-00977-x

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