團隊解決了關(guān)鍵的mTORC1激活劑的結(jié)構(gòu)

懷特海研究所的科學家領(lǐng)導的一個研究小組描述了一種關(guān)鍵蛋白質(zhì)復合物的結(jié)構(gòu)，該復合物有助于激活mTORC1，mTORC1是一種主要的生長調(diào)節(jié)劑，可使細胞快速響應(yīng)不斷變化的營養(yǎng)水平。該活化復合物包含兩種蛋白，卵泡蛋白(FLCN)和FNIP2，后者在遺傳性腫瘤綜合征中被破壞。正如《Cell》雜志11月5 日所述，研究小組的發(fā)現(xiàn)揭示了FLCN和FNIP2如何彼此相互作用以及與mTORC1的其他關(guān)鍵成分相互作用，從而調(diào)節(jié)營養(yǎng)和生長信號。這些見解將有助于指導未來的研究，包括發(fā)現(xiàn)干擾mTORC1信號傳導的藥物。

“這些蛋白質(zhì)是整個mTORC1系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分，可以根據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)的存在而快速開啟，”懷特海德研究所成員，麻省大學生物學教授，資深作者David Sabatini說?；羧A德·休斯醫(yī)學研究所(HHMI)的技術(shù)和研究人員。“現(xiàn)在，對它們的結(jié)構(gòu)有了詳細的了解，我們就可以開始研究它們的復雜生物學了。”

FLCN和FNIP2共同激活mTORC1，但通過打開另一套稱為Rag GTPases的蛋白質(zhì)來間接激活。這種精巧的合作已經(jīng)被認可了幾年，但是分子的細節(jié)(例如，各種蛋白質(zhì)的哪些部分最重要)仍然不清楚。此外，F(xiàn)LCN中的遺傳突變與Birt-Hogg-Dube(BHD)綜合征相關(guān)，這是一種遺傳病，包括易患腎癌以及身體其他部位的良性腫瘤。這些突變?nèi)绾胃淖兊鞍踪|(zhì)功能并導致疾病也是未知的。

“我們真的想了解這些蛋白與mTORC1信號開關(guān)的基本機械性能，”第一作者卡茨珀Rogala，薩巴蒂尼在實驗室的博士后研究員說。“在不知道結(jié)構(gòu)的情況下，我們可以做出假設(shè)，但只有詳細了解情況，我們才能真正理解它們的工作原理。”

Rogala與共同第一作者，另一位Sabatini實驗室博士后研究員Kuang Shen一起使用了冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)，確定了Rag GTPases和mTORC1復合體另一個復合體中FLCN-FNIP2的結(jié)構(gòu)。 (稱為Ragulator)。他們與低溫電磁專家Yuzhiheng Yu和他的HHMI同事密切合作。

通過這些結(jié)構(gòu)研究，Rogala，Shen及其同事取得了一些關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)。一個不尋常的發(fā)現(xiàn)是，F(xiàn)LCN和FNIP2在兩個位點彼此結(jié)合，而不僅僅是一個位點，這通常是在由兩種蛋白質(zhì)組成的復合物中觀察到的。

另外，這兩種蛋白各自包含相同的兩個結(jié)構(gòu)域：在一端的一個Longin結(jié)構(gòu)域和在另一端的一個DENN結(jié)構(gòu)域。來自每種蛋白質(zhì)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)域組裝在一起，形成了研究人員稱為“二聚體的二聚體”。

“這是一個非常獨特的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，”沉說。“實際上，它與mTORC1的另一個關(guān)鍵調(diào)節(jié)器GATOR1的結(jié)構(gòu)非常相似。” 他領(lǐng)導了GATOR1的低溫EM分析，該分析于2018年在《自然》雜志上發(fā)表。

Rogala，Shen及其同事還確定了FLCN的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，該特征負責激活Rag GTPases，該功能依賴于酶促活性來幫助開啟mTORC1信號。此功能被稱為精氨酸指，因為它在關(guān)鍵位置包含氨基酸精氨酸。發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)元素將指導設(shè)計針對它的藥物。

最后，當團隊仔細檢查精氨酸手指時，他們注意到它沒有位于他們期望的位置。為了激活Rag GTPases，精氨酸的手指必須非常靠近催化部位，就像鑰匙孔中的鑰匙一樣。但是在這種情況下，鑰匙懸在鑰匙孔外面。

Rogala說：“這真是一個令人驚訝的事實，它告訴我們我們已經(jīng)以某種中間狀態(tài)捕獲了該復合物。” “現(xiàn)在，我們可以開始尋找其他國家來檢查它們的結(jié)構(gòu)，并開始重建整個催化路徑。”

現(xiàn)在，通過詳細了解FLCN和FNIP2的結(jié)構(gòu)，研究人員希望對mTORC1信號傳導的機理有更深入的了解，這是設(shè)計可有效抑制這些信號的藥物的關(guān)鍵一步。此外，研究小組還計劃探索一些長期存在的生物學問題，例如FLCN如何導致BHD綜合征的腫瘤形成。

激活mTORC1的蛋白質(zhì)通常被認為是癌基因，而FLCN卻起著抑癌作用-這意味著當其功能喪失時，就會形成腫瘤。

“這困擾了這個領(lǐng)域十多年了，”沉說。“仍然沒有答案，但是現(xiàn)在，以我們的結(jié)構(gòu)為指導，我們可以開始以更具指導性的方式合理地探究這個問題以及其他許多問題。”