中国科学院丁建平研究组与合作团队揭示mTORC1信号通路中SAMTOR感受SAM的分子机制

2022年7月1日，国际学术期刊Science Advances在线发表了国家蛋白质科学研究（上海）设施用户中国科学院分子细胞科学卓越创新中心丁建平研究组与合作团队的最新研究成果：“Molecular mechanism of S-adenosylmethionine sensing by SAMTOR in mTORC1 signaling”，该研究揭示了SAMTOR感知SAM（S-adenosylmethionine）以调控mTORC1活性的分子机制。 

在真核生物中，高度保守的mTORC1蛋白激酶复合物通过感受和整合外界信号如氨基酸、生长因子和能量状态等，调节细胞的生长发育、凋亡和自噬等重要生命过程。mTORC1的功能失调会引起多种疾病，包括肥胖症、II型糖尿病和肿瘤等。之前的研究发现，SAMTOR作为甲硫氨酸衍生物SAM的传感器，通过与GATOR1-KICSTOR复合物结合调控mTORC1的活性。当胞内甲硫氨基酸水平升高时，SAM的浓度也随之升高，SAMTOR与SAM的结合使其不能与GATOR1-KICSTOR复合物相互作用，导致GATOR1的GAP活性减弱，从而激活下游Rag鸟苷三磷酸酶（GTPase）和mTORC1信号通路。目前，SAMTOR是如何感知胞内SAM浓度以调控mTORC1活性的分子机制尚不清楚。

 
图. SAMTOR感知SAM以调控mTORC1活性的分子机制。（A）SAMTOR的MTase结构域结合SAM的整体结构；（B）Apo形式的全长dSAMTOR V66W/E67P突变体同源二聚体的整体结构；（C）SAMTOR感知并结合SAM，通过构象变化发挥分子开关功能、调控其与GATOR1-KICSTOR相互作用的分子机制。      

丁建平研究组长期从事TORC1信号通路调控的分子机制研究，先后测定了mTORC1信号通路中一些重要调控蛋白包括人源Rheb、TCTP、S6K、CASTOR1和Ragulator五元复合物以及酵母Ego1-Ego2-Ego3（EGO-TC）三元复合物和EGO-TC与Gtr1-Gtr2形成的五元复合物（EGOC）的晶体结构。在此基础上，丁建平研究组又进一步测定了黑腹果蝇源SAMTOR（dSAMTOR）的MTase结构域结合SAM和SAH（A），以及dSAMTOR全长V66W/E67P突变体的apo形式的高分辨率晶体结构，并运用生物化学、分子生物学和细胞生物学方法对人源SAMTOR与GATOR1-KICSTOR的相互作用、进一步激活mTORC1活性的功能开展了深入研究。研究结果表明，dSAMTOR由N端螺旋结构域和C端MTase结构域组成，SAM和SAH以相似的方式结合在MTase结构域，与一些保守残基发生广泛的亲水和疏水相互作用，而N端螺旋结构域不直接参与配体的结合。配体的结合并不会引起MTase结构域发生显著的构象变化，单独的MTase结构域具有结合SAM的能力，但缺乏对mTORC1活性的调节功能。具有较高灵活性的N端螺旋结构域则发挥着分子开关的功能，调控MTase结构域与GATOR1-KICSTOR的相互作用，引起下游mTORC1活性的变化。这些研究结果揭示了SAMTOR作为mTORC1信号通路中的一个分子开关，通过与SAM的结合调控其与GATOR1-KICSTOR的结合，并进一步调控mTORC1活性的分子机制。具体的讲，当SAMTOR不结合SAM时，螺旋结构域构象灵活，从而暴露出MTase结构域与下游复合物的结合位点；当SAMTOR结合SAM时，螺旋结构域发生构象变化，覆盖在MTase结构域与下游复合物的结合位点上，从而阻挡了MTase结构域与下游GATOR1-KICSTOR的相互作用，进一步激活mTORC1信号通路。

文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn3868蛋白质设施对该项工作的支持 

国家蛋白质科学研究（上海）设施蛋白质晶体结构分析系统微晶体结构线站（BL18U1）和复合物晶体结构线站（BL19U1）分别为SAMTOR与SAH的复合体（PDB ID: 7VKQ）、SAMTOR的V66W/E67P突变体（PDB ID：7VKK）以及SAMTOR与SAM复合体（PDB ID：7VKR）的晶体衍射数据收集提供了提供了条件和技术支持。