團(tuán)隊(duì)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(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組描述了一種關(guān)鍵蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，該復(fù)合物有助于激活mTORC1，mTORC1是一種主要的生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，可使細(xì)胞快速響應(yīng)不斷變化的營養(yǎng)水平。該活化復(fù)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(zhǎng)信號(hào)。這些見解將有助于指導(dǎo)未來的研究，包括發(fā)現(xiàn)干擾mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)的藥物。

“這些蛋白質(zhì)是整個(gè)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(xué)生物學(xué)教授，資深作者David Sabatini說?；羧A德·休斯醫(yī)學(xué)研究所(HHMI)的技術(shù)和研究人員。“現(xiàn)在，對(duì)它們的結(jié)構(gòu)有了詳細(xì)的了解，我們就可以開始研究它們的復(fù)雜生物學(xué)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(rèn)可了幾年，但是分子的細(xì)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(dǎo)致疾病也是未知的。

“我們真的想了解這些蛋白與mTORC1信號(hào)開關(guān)的基本機(jī)械性能，”第一作者卡茨珀Rogala，薩巴蒂尼在實(shí)驗(yàn)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(xì)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(shí)驗(yàn)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(fù)合體另一個(gè)復(fù)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(gè)不尋常的發(fā)現(xiàn)是，F(xiàn)LCN和FNIP2在兩個(gè)位點(diǎn)彼此結(jié)合，而不僅僅是一個(gè)位點(diǎn)，這通常是在由兩種蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物中觀察到的。

另外，這兩種蛋白各自包含相同的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域：在一端的一個(gè)Longin結(jié)構(gòu)域和在另一端的一個(gè)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(gè)非常獨(dú)特的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，”沉說。“實(shí)際上，它與mTORC1的另一個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)器GATOR1的結(jié)構(gòu)非常相似。” 他領(lǐng)導(dǎo)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(fù)責(zé)激活Rag GTPases，該功能依賴于酶促活性來幫助開啟mTORC1信號(hào)。此功能被稱為精氨酸指，因?yàn)樗陉P(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(dǎo)設(shè)計(jì)針對(duì)它的藥物。

最后，當(dāng)團(tuán)隊(duì)仔細(xì)檢查精氨酸手指時(shí)，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?？拷呋课唬拖耔€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(gè)令人驚訝的事實(shí)，它告訴我們我們已經(jīng)以某種中間狀態(tài)捕獲了該復(fù)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(gè)催化路徑。”

現(xiàn)在，通過詳細(xì)了解FLCN和FNIP2的結(jié)構(gòu)，研究人員希望對(duì)mTORC1信號(hào)傳導(dǎo)的機(jī)理有更深入的了解，這是設(shè)計(jì)可有效抑制這些信號(hào)的藥物的關(guān)鍵一步。此外，研究小組還計(jì)劃探索一些長(zhǎng)期存在的生物學(xué)問題，例如FLCN如何導(dǎo)致BHD綜合征的腫瘤形成。

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

“這困擾了這個(gè)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(dǎo)，我們可以開始以更具指導(dǎo)性的方式合理地探究這個(gè)問題以及其他許多問題。”