上海交通大学Nature子刊发表mTORC信号通路研究成果

　　

生物通报道：近期，来自上海交通大学生命科学技术学院和国家蛋白质科学中心的研究人员，通过测定人类CASTOR1与精氨酸的复合物的晶体结构，在CASTOR1的NTD和CTD结构域之间发现了一个制作精细的“口袋”结构，可被用来识别精氨酸。这个“口袋”关键残基的突变可抑制或减少精氨酸结合。相关研究结果发表在12月27日的Nature子刊《Cell Discovery》。延伸阅读：三篇Science文章聚焦mTORC1；复旦管坤良、袁海心亮点推荐Science文章：聚焦mTORC1。

这项研究的通讯作者是上海交通大学生命科学技术学院的吴更教授，其1997年毕业于中国科技大学，1997年至2001年在美国普林斯顿大学是从施一公教授攻读博士学位，2001年至2008年分别在美国Memorial Sloan Kettering癌症研究所和哈佛大学医学院从事博士后研究工作。2008年起，在上海交通大学担任教授职务，并先后被授予“东方学者”和“曙光学者”称号。多年来，吴更教授一直从事与癌症有关的蛋白质分子复合物的X射线晶体结构生物学与生物化学研究工作。曾于2005年荣获美国“白血病与淋巴癌学会”的资深博士后科研基金奖励。先后发表了高水平研究论文11篇，总计被引用947次。其中，在Nature、Molecular Cell和Science上作为第一作者发表的，关于与癌症相关的“细胞凋亡通路”、“泛素化通路”和“TGF-beta信号传导通路”的蛋白质复合物晶体结构的论文，分别被引用317次、163次和119次。

mTOR复合体I（mTORC1）信号通路控制着许多代谢过程，并且是由氨基酸信号调节的，尤其是精氨酸。CASTOR1已被确定为mTORC1通路的细胞内精氨酸传感器，但是“其如何探测精氨酸”的分子机制，尚不明确。在这项研究中，通过测定人类CASTOR1与精氨酸的复合物的晶体结构，在CASTOR1的NTD和CTD结构域之间发现了一个制作精细的“口袋”结构，可被用来识别精氨酸。这个“口袋”关键残基的突变可抑制或减少精氨酸结合。

通过与结构相似的天冬氨酸激酶进行比较，研究人员发现，精氨酸结合位点相对侧的一个CASTOR1-NTD表面补丁，可通过GATOR2亚基亚基Mios，调整其与下游效应因子GATOR2的直接相互作用。体外pull-down实验表明，这个表面补丁的突变，可破坏CASTOR1的识别以及GATOR2抑制。正常模式（NM）分析发现了CASTOR1的一个“开放”到“闭合”的构象变化，这与GATOR2结合残基的暴露和隐藏之间的切换有关，并且与精氨酸结合关系密切。

有趣的是，在CASTOR1二聚体两个原体上的GATOR2结合位点，面对相同的方向，这引导研究人员对于“CASTOR1二聚化作用如何减轻GATOR2对GATOR1的抑制”提出了一个模型。因此，这项研究对于“CASTOR1如何识别精氨酸”提供了一个深入的分析，并描述了“精氨酸结合如何诱导CASTOR1的域间运动以影响其与GATOR2的关系”的一种可能机制。

（生物通：王英））

生物通推荐原文摘要：
Structural mechanism for the arginine sensing and regulation of CASTOR1 in the mTORC1 signaling pathway
Abstract：The mTOR complex I (mTORC1) signaling pathway controls many metabolic processes and is regulated by amino acid signals, especially arginine. CASTOR1 has been identified as the cytosolic arginine sensor for the mTORC1 pathway, but the molecular mechanism of how it senses arginine is elusive. Here, by determining the crystal structure of human CASTOR1 in complex with arginine, we found that an exquisitely tailored pocket, carved between the NTD and the CTD domains of CASTOR1, is employed to recognize arginine. Mutation of critical residues in this pocket abolished or diminished arginine binding. By comparison with structurally similar aspartate kinases, a surface patch of CASTOR1-NTD on the opposite side of the arginine-binding site was identified to mediate direct physical interaction with its downstream effector GATOR2, via GATOR2 subunit Mios. Mutation of this surface patch disrupted CASTOR1’s recognition and inhibition of GATOR2, revealed by in vitro pull-down assay. Normal mode (NM) analysis revealed an ‘open’-to-‘closed’ conformational change for CASTOR1, which is correlated to the switching between the exposing and concealing of its GATOR2-binding residues, and is most likely related to arginine binding. Interestingly, the GATOR2-binding sites on the two protomers of CASTOR1 dimer face the same direction, which prompted us to propose a model for how dimerization of CASTOR1 relieves the inhibition of GATOR1 by GATOR2. Our study thus provides a thorough analysis on how CASTOR1 recognizes arginine, and describes a possible mechanism of how arginine binding induces the inter-domain movement of CASTOR1 to affect its association with GATOR2.