氨基酸动态调控mTORC1的结构基础：冷冻电镜揭示Sestrin2与CASTOR1通过GATOR2介导营养感知的分子机制

这篇研究通过冷冻电镜解析了Sestrin2和CASTOR1与GATOR2复合物的相互作用结构，揭示了氨基酸（如亮氨酸和精氨酸）通过传感器蛋白动态调控mTORC1信号通路的分子机制。研究发现，两种传感器占据GATOR2的非重叠结合位点，并通过变构效应传递营养状态信号，为理解细胞生长调控及癌症、神经退行性疾病的治疗提供了新靶点。

　　

Structural basis for the dynamic regulation of mTORC1 by amino acids

Main

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1（mTORC1）是调控细胞生长、代谢和衰老的核心激酶，其异常激活与癌症和神经退行性疾病密切相关。研究表明，氨基酸通过Rag GTPases激活mTORC1，而GATOR超级复合物（含GATOR1、KICSTOR和GATOR2）是这一过程的关键调控枢纽。

Generation of single-chained GATOR2

为解决GATOR2亚基易解离的技术难题，研究者设计了单链变体sc-GATOR2，将SEH1L或SEC13与核心亚基（WDR24、MIOS、WDR59）共价融合。这种改造显著提高了复合物稳定性，并通过免疫共沉淀和冷冻电镜验证了其功能完整性。

sc-GATOR2 recapitulates wild-type GATOR2

冷冻电镜结构（3.47 ?分辨率）显示，sc-GATOR2形成由MIOS-SEH1L、WDR24-SEH1L和WDR59-SEC13异源二聚体构成的八边形笼状结构，与野生型GATOR2的支架高度相似（RMSD 1.1 ?）。值得注意的是，WDR24的β-螺旋桨结构域表现出显著动态性。

GATOR2 engages Sestrin2 via WDR24–SEH1L

通过解析sc-GATOR2与Sestrin2（E451Q突变体）的复合物结构（3.36 ?），发现Sestrin2通过酸性表面与WDR24的碱性β-螺旋桨结合，关键残基如Arg46和Arg228形成盐桥。实验证实，破坏该界面会选择性损害亮氨酸感知能力。

Leucine triggers an allosteric switch

首次捕获的apo状态Sestrin2结构显示，亮氨酸结合会诱导αL1-αL2螺旋形成，并通过级联效应（如Arg338与WDR24的Arg46排斥）促使Sestrin2从GATOR2解离。分子动力学模拟揭示了这一变构调控的动力学细节。

Arginine remodels the CASTOR1–MIOS interface

CASTOR1以二聚体形式结合GATOR2的"支架"区域（MIOS β-螺旋桨），精氨酸结合后通过重构β6-α3环（"释放环"）引发与MIOS Arg137的空间冲突，从而解离复合物。有趣的是，CASTOR1的结合还会重塑GATOR2支架构象，削弱其与GATOR1的相互作用。

Nutrient sensors stabilize the WDR24 β-propeller

研究发现Sestrin2和CASTOR1均能稳定WDR24 β-螺旋桨的动态性，但机制不同：Sestrin2直接占据功能性表面，而CASTOR1通过变构调节间接影响。表位标记实验证实，WDR24的灵活性对mTORC1激活至关重要。

Discussion

该研究阐明了氨基酸传感器通过非竞争性结合位点和变构效应调控GATOR2的精确机制，为开发靶向mTORC1通路的小分子药物提供了结构基础。未来需进一步解析KICSTOR等未表征组分的结构，以完全揭示这一营养感知网络的分子逻辑。