丁建平连发Nature子刊等两篇文章 获DNA同源重组与mTORC1研究新进展

【字体: 时间:2017年11月14日 来源:生物通

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  中科院生化与细胞所蛋白质中心的丁建平研究组揭示了Ragulator五元复合物的组装机制和Ragulator复合物调控mTORC1信号通路的分子机制。

  

生物通报道:来自中科院生化与细胞所蛋白质中心的丁建平研究组揭示了Ragulator五元复合物的组装机制和Ragulator复合物调控mTORC1信号通路的分子机制。

真核细胞中mTORC1是一个高度保守的蛋白激酶复合物,它通过感受和整合外界信息,如生长因子、能量状态和营养水平等,调控细胞生长发育和细胞自噬等重要生命过程。mTORC1信号通路的功能失调会引起多种疾病,包括肥胖症、II型糖尿病和肿瘤等。营养物质如氨基酸是mTORC1的重要激活因子。

最近研究发现,氨基酸介导的mTORC1信号通路的激活主要在溶酶体上进行,由一系列蛋白质复合物参与这一复杂过程的调控,其中Ragulator五元复合物作为该信号通路的核心骨架,调控Rag小G蛋白和mTORC1在溶酶体上的定位,但是Ragulator复合物如何组装并招募下游蛋白的作用机制还不清晰。

丁建平研究组长期从事mTORC1信号通路调控的分子机制研究,先后测定了mTORC1信号通路中一些重要调控蛋白包括Rheb、TCTP、S6K和Ego3的结构,揭示了它们在mTORC1信号通路中发挥生物学功能的分子基础,近期又完成了酵母TORC1信号通路中Ego1-Ego2-Ego3三元复合物的晶体结构测定和功能分析(Cell Research,2015)、以及mTORC1信号通路上游人源精氨酸感应蛋白CASTOR1-arginine复合物的结构测定和对底物的识别机制(Cell Discovery,2016)。

在此基础上,丁建平研究组的副研究员张天龙和博士生王嵘对 mTORC1信号通路开展了进一步研究,测定了Ragulator五元复合物的晶体结构,发现Ragulator复合物中包含MP1-p14和 HBXIP-C7orf59两个亚复合物,并由p18亚基介导两个亚复合物的结合、并组装成五元复合物。通过结构分析和功能实验验证,发现Ragulator复合物作为骨架蛋白发挥功能,通过p18的N端结构域和MP1-p14复合物两个结合位点与Rag小G蛋白的Roadblock结构域结合,并在氨基酸等信号因子的激活下进一步招募mTORC1定位在溶酶体上。结构分析和体外活性测定否定了早期认为的Ragulator具有针对Rag小G蛋白的GEF活性,并预测存在尚未鉴定的GEF蛋白与Ragulator复合物结合,共同激活下游Rag小G蛋白。

研究人员还发现mTORC1信号通路的抑制因子C17orf59通过竞争性结合Rag 小G蛋白在MP1-p14复合物上的结合位点,抑制Rag 小G蛋白在溶酶体上的定位,从而抑制下游mTORC1活性。通过结构比较发现,人源Ragulator复合物和酵母Ego1-Ego2-Ego3复合物在结构上非常相似, 表明这两个复合物在mTORC1/TORC1信号通路中发挥相似的功能。

这些研究结果进一步阐释了氨基酸等营养物质对mTORC1信号通路的调控机制,并且为mTORC1功能异常相关疾病研究和基于mTORC1信号通路的药物设计提供了重要信息。

此外,这一研究组也在Nucleic Acids Research上发文,揭示了Shu复合物在DNA同源重组过程中发挥生物学功能的分子机制。

Shu复合物是近年研究发现的一类保守的、广泛存在于真核生物,参与调控DNA同源重组过程的多元复合物。在酿酒酵母中,Shu复合物是由Csm2、Psy3、Shu1和Shu2四个蛋白组成,通过参与同源重组途径而在DNA的损伤修复和耐受过程中扮演了重要的角色。迄今为止,Shu1和Shu2蛋白的晶体结构及全复合物的结构信息仍然不清楚,这影响了对Shu复合物在DNA损伤修复途径中发挥生物学功能的理解。

丁建平组博士生张世成等人成功解析了酿酒酵母源Shu复合物的晶体结构。整体结构显示,全长的四个组分蛋白Csm2、Psy3、Shu1和Shu2依次顺序相互作用形成一个V型结构,其两个亚复合物Csm2-Psy3和Shu1-Shu2分别位于V型的两侧。结构分析发现,Shu1采用了ATPase核心结构域的经典折叠方式,是一个新的Rad51旁系同源蛋白。Shu2是第一个结构获得解析的Shu2/SWS1家族蛋白,采用了一种全新的蛋白折叠方式。Shu2蛋白除了包含家族保守的SWIM结构域外,还包含一个插入结构域,并且都参与了与Shu1的相互作用。Shu1和Shu2通过大量疏水相互作用和少量亲水相互作用形成一个稳定的亚复合物。在Shu复合物中,Psy3的N端伸出的大约20个氨基酸相比于Csm2-Psy3二元复合物结构中的Psy3发生了大约60度的偏转,并与Shu1发生了紧密的相互作用。此外,还发现Shu1上的Val51在全复合物组装过程中也扮演着重要的角色。在结构分析的基础上,通过酵母双杂和pull-down等实验验证了相互作用界面上关键氨基酸对于复合物形成的作用,并通过酵母MMS敏感性实验发现,Shu复合物的完整性对于其在DNA损伤修复途径中发挥功能是必需的。进一步通过对复合物表面电荷分布的分析,并结合已有的生化实验数据,得到了复合物结合DNA的两个可能区域。根据两个区域的结构和化学特征,进一步推测区域I主要结合单链DNA,而区域II则主要结合双链DNA。基于研究结果,研究人员提出了Shu复合物结合3'-overhang或fork等同源重组过程中不同形式结构DNA、以及在DNA损伤修复途径中发挥生物学功能的分子机制。

原文标题:

Structural Basis for Ragulator Functioning as a Scaffold in Membrane-anchoring of Rag GTPases and mTORC1

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