参与mTOR信号通路调控的小G蛋白及与调控蛋白复合物的结构与功能的研究

The target of rapamycin (TOR) proteins are structurally and functionally conserved from yeast to human and belong to the phosphoinositide 3-kinase-related kinase family. The mammalian TOR (mTOR) and its orthologues are central regulators of cell growth, proliferation, and differentiation, and have been implicated in many diseases including cancers and diabetes. Several small GTPases including Rheb, RagA-D (Gtr1 and Gtr2 in yeast), Arl2, Arl3, and Rab5 participate in amino acid signaling to activate mTORC1. Previously, we successfully set up the systems to express and purify several concerned proteins and protein complexes. Moreover, we have determined the crystal structures of some important small GTPases and protein complexes. We will investigate the structure and function of the small GTPases and regulatory proteins including TSC2, Ragulator complex, EGO complex via methods in structural biology, biochemistry, and molecular biology. We hope to illustrate the molecular mechanism how these small GTPases function and regulate other proteins and protein complexes in mTOR signaling. Besides, we hope to demonstrate the structural basis of the diseases caused by their misfunction.

mTOR是一种多功能激酶，属于磷酸肌醇激酶相关的激酶家族。mTOR信号转导通路是一个与细胞生长、增殖和代谢密切相关的重要通路，它的异常与许多人类疾病相关，如癌症、糖尿病等。有多种小G蛋白，包括Rheb、RagA-D（酵母同源蛋白为Gtr1/2）、Arl2/3和Rab5等，参与氨基酸等营养物质对mTORC1调控。在前期青年科学基金项目资助下，完成了其中多个蛋白和蛋白复合物的表达和纯化，以及其中一些蛋白的结构测定工作。本项目拟以这些小G蛋白及其调控蛋白TSC2、Ragulator复合物、Ego复合物等做为研究对象，进一步运用结构生物学、生物化学和分子生物学等方法，积极开展蛋白质和蛋白质复合物的结构和功能研究，阐述这些小G蛋白在mTOR信号通路中生物功能的分子基础、相互作用网络关系和调控机制，探讨它们的功能失调与疾病的发生和发展的关系和分子机理。

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，包括糖尿病和肿瘤等。有多种小G蛋白，包括Rheb、RagA-D和Arl1等，参与氨基酸等营养物质对mTORC1调控。本项目以这些小G蛋白及其调控蛋白Ragulator复合物和Ego复合物等做为研究对象，运用结构生物学、生物化学和分子生物学等方法，积极开展蛋白质和蛋白质复合物的结构和功能研究，阐述这些小G蛋白在mTOR信号通路中生物功能的分子基础、相互作用网络关系和调控机制，探讨它们的功能失调与疾病的发生和发展的关系和分子机理。首先完成了酵母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（Cell Discovery，2016）。在此基础上，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（Nature Communications，2017）。结构分析和体外活性测定否定了早期认为的Ragulator具有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。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。人源Ragulator复合物和酵母Ego1-Ego2-Ego3复合物结构上非常相似，表明这两个复合物在mTORC1/TORC1信号通路中发挥相似的功能。这些研究成果，对于研究Ragulator、EGO-TC和CASTOR1在mTORC1信号通路中的作用机制具有作用的意义。