Nature|劉穎課題組揭示SAR1B感知細胞內(nèi)亮氨酸濃度調(diào)控mTORC1活性
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細胞根據(jù)營養(yǎng)狀態(tài)調(diào)控生長是基礎(chǔ)的生命科學問題【1】。營養(yǎng)物質(zhì)包括氨基酸，葡萄糖和脂肪酸等。其中，細胞通過mTORC1復(fù)合物感受氨基酸濃度，并據(jù)此調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成和細胞生長。氨基酸富足時，mTORC1被活化，啟動合成代謝，包括促進游離氨基酸組裝成蛋白質(zhì)，細胞生長加速。相反，游離氨基酸缺乏時，mTORC1被抑制，合成代謝停滯，細胞生長減緩。各種氨基酸的濃度會被其對應(yīng)的感受器蛋白感知到（也稱為氨基酸受體），進而將信號傳遞給mTORC1【2】。此外，越來越多的研究表明，mTORC1的持續(xù)活化在癌細胞生長和腫瘤發(fā)生中扮演重要作用。已發(fā)現(xiàn)許多原癌基因和抑癌基因突變通過激活mTORC1促進腫瘤發(fā)生。mTORC1抑制劑依維莫司（Everolimus）已被美國食品藥品管理局（U.S. FDA）批準用于治療乳腺癌，胰腺癌和晚期腎癌。另外，還有許多直接或間接的mTORC1抑制劑正在臨床試驗中【3】。
2021年7月21日，北京大學未來技術(shù)學院分子醫(yī)學研究所、生命科學聯(lián)合中心、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心劉穎課題組在Nature雜志在線發(fā)表題為SAR1B senses leucine levels to regulate mTORC1 signalling的研究論文。報道了一個全新的亮氨酸受體蛋白SAR1B，及其通過mTORC1調(diào)控非小細胞肺癌發(fā)生的機制。
研究人員結(jié)合免疫共沉淀和質(zhì)譜技術(shù)鑒定到亮氨酸受體蛋白SAR1B。SAR1B的經(jīng)典功能是作為小G蛋白酶參與囊泡形成，并與其他四個亞基共同組裝成COPII復(fù)合物，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基體遞送物質(zhì)的過程中發(fā)揮重要作用【4】。研究人員發(fā)現(xiàn)，SAR1B感知亮氨酸的過程并不依賴于其經(jīng)典的小G蛋白酶活性。
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體外實驗表明，SAR1B能夠直接結(jié)合亮氨酸（圖1a），并在結(jié)合亮氨酸后發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變（圖1b）。細胞實驗表明，SAR1B感受到亮氨酸信號后，通過GATOR2復(fù)合物將信號傳遞給mTORC1；敲低GATOR2復(fù)合物的組分Mios，將阻斷亮氨酸信號的傳遞（圖1c）。綜合諸多實驗結(jié)果，研究人員總結(jié)如下：在亮氨酸缺乏時，SAR1B結(jié)合并抑制GATOR2復(fù)合物（GATOR2是維持mTORC1活化的重要因子），mTORC1失活。當氨基酸充足時，SAR1B結(jié)合亮氨酸，發(fā)生變構(gòu)，隨后與GATOR2解離，被解放的GATOR2進而激活mTORC1（圖1d）。此外，研究人員還利用無脊椎模式生物線蟲，證明了SAR1B感知亮氨酸是進化上高度保守的。
值得一提的是，此前已有一個亮氨酸受體蛋白Sestrin2被報道【5】。研究人員從以下四個方面闡明了這兩個受體蛋白的不同之處。（1）它們結(jié)合在GATOR2的不同亞基上。SAR1B結(jié)合Mios亞基，而Sestrin2結(jié)合Seh1L亞基。（2）它們對亮氨酸的敏感程度不同，SAR1B能夠感知到更低濃度的亮氨酸，親和力為Kd ≈ 2 μM。而Sestrin2感知相對高濃度的亮氨酸，親和力為Kd ≈ 20 μM。（3）它們識別不同的亮氨酸結(jié)構(gòu)特征。SAR1B識別的是亮氨酸的氨基端和側(cè)鏈，能夠容忍羧基端修飾。而Sestrin2則識別亮氨酸的氨基端和羧基端，能夠部分容忍側(cè)鏈修飾。（4）兩個受體蛋白存在組織分布差異性，且在肌肉中，兩個受體協(xié)同調(diào)控mTORC1。關(guān)于這點，研究人員進行了深入探索。
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SAR1B在骨骼肌中豐度最高（圖2a），且其表達不依賴于CopII復(fù)合物的其他四個亞基（圖2b），暗示其存在不依賴于囊泡運輸?shù)男鹿δ堋９趋兰≈?，Sestrin家族另一成員Sestrin1（功能等同Sestrin2）也表達（圖2a）。在脂肪組織中，僅Sestrin2高表達（圖2a）。功能與受體分布情況一致，肌肉細胞中，SAR1B和Sesrtrin1先后從GATOR2解離，促成了mTORC1 “二次”激活效應(yīng)（圖2c）。而脂肪細胞中，僅Sestrin2對mTORC1進行了“一次”調(diào)控（圖2 d）。綜上，亮氨酸受體SAR1B和Sestrin協(xié)作共同調(diào)控mTORC1信號（圖2 e）。
最后，研究人員通過生物信息學分析，發(fā)現(xiàn)SAR1B-mTORC1信號在人類非小細胞肺癌中扮演潛在作用，并隨后建立了裸鼠腫瘤模型證明了該假設(shè)。失去SAR1B及其同源蛋白SAR1A將促進小鼠皮下瘤（圖3a, b）和肺內(nèi)原位瘤（圖3c, d）發(fā)生，給小鼠注射mTORC1抑制劑雷帕霉素（Rapa.）可阻止腫瘤發(fā)生（圖3b, d）。此外，肺切片和免疫組化染色結(jié)果表明，失去SAR1A/B將促進腫瘤代謝重編程（合成代謝加速，分解代謝抑制），增強腫瘤細胞增值能力（圖3e）。因此，SAR1B在肺癌中發(fā)揮著潛在抑癌因子的作用。
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綜上，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個全新的亮氨酸受體蛋白SAR1B，并詳細解析了其感應(yīng)亮氨酸調(diào)控mTORC1信號的分子機制。通過生物信息學分析和建立裸鼠原位瘤模型，研究人員證明了SAR1B是一個潛在的人類非小細胞肺癌抑癌因子，有希望成為非小細胞肺癌的新型生物標志物，為非小細胞肺癌的治療提供新的藥物靶標。
北京大學陳杰博士和劉穎教授為本研究的共同通訊作者。陳杰博士和北京大學未來技術(shù)學院分子醫(yī)學研究所博士生歐宇輝為共同第一作者。該研究獲得了國家自然科學基金委、科技部國家重點研發(fā)計劃、HHMI國際研究學者項目、北京未來基因診斷高精尖創(chuàng)新中心和生命科學聯(lián)合中心的資助。劉穎教授特別致謝騰訊科學探索獎的支持。
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原文鏈接：?https://www.nature.com/articles/s41586-021-03768-w
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參考文獻：
1. Wullschleger, S., Loewith, R. & Hall, M. N. TOR signaling in growth and metabolism. Cell 124, 471-484, doi:10.1016/j.cell.2006.01.016 (2006).
2.?Jewell, J. L., Russell, R. C. & Guan, K. L. Amino acid signalling upstream of mTOR. Nat Rev Mol Cell Biol 14, 133-139, doi:10.1038/nrm3522 (2013).
3.?Guertin, D. A. & Sabatini, D. M. Defining the role of mTOR in cancer. Cancer Cell 12, 9-22, doi:10.1016/j.ccr.2007.05.008 (2007).
4.?Zanetti, G., Pahuja, K. B., Studer, S., Shim, S. & Schekman, R. COPII and the regulation of protein sorting in mammals. Nat Cell Biol 14, 20-28, doi:10.1038/ncb2390 (2011).
5.?Wolfson, R. L. et al. Sestrin2 is a leucine sensor for the mTORC1 pathway. Science 351, 43-48, doi:10.1126/science.aab2674 (2016).
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