Science | 营养物质感受蛋白SAMTOR是如何被发现的

        大家好，今天给大家带来的是发在science上的一篇文章，作者来自于MIT的David Sabatini。该实验室关注哺乳动物中营养物质的代谢和感知。

        氨基酸甲硫氨酸被广泛认为对动物生理学具有有趣的作用。低蛋氨酸饮食延长寿命和整体健康，特别是葡萄糖稳态。本文作者描述了甲硫氨酸限制和生长调节剂mTOR复合物1（mTORC1）之间潜在的分子联系，mTOR复合物1（mTORC1）是一种经过良好验证的生物体寿命和健康跨度调节因子。他们确定了一种名为SAMTOR的蛋白质，作为mTORC1上游营养物质感应途径的一个组成部分。SAMTOR直接结合由蛋氨酸制成的代谢物S-腺苷甲硫氨酸（SAM），并且是调节mTORC1对蛋氨酸反应所必需的。

        mTOR复合物1（mTORC1）调节细胞生长和代谢以响应多个环境线索。营养素信号通过Rag鸟苷三磷酸酶（GTPases）促进mTORC1定位于溶酶体表面，其活化位点。我们鉴定了SAMTOR，一种以前没有特征的蛋白质，它通过与GATOR1（RagA /B的GTP酶激活蛋白（GAP））相互作用来抑制mTORC1信号传导。我们发现甲基供体S- 腺苷甲硫氨酸（SAM）通过直接与SAMTOR结合以约7μM的解离常数破坏SAMTOR-GATOR1复合物。在细胞中，甲硫氨酸饥饿将SAM水平降低至该解离常数以下并促进SAMTOR与GATOR1的结合，从而以SAMTOR依赖性方式抑制mTORC1信号传导。甲硫氨酸诱导的mTORC1活化需要SAMTOR的SAM结合能力。因此，SAMTOR是将甲硫氨酸和单碳代谢连接到mTORC1信号的SAM传感器。

       雷帕霉素复合物1（mTORC1）蛋白激酶的机制目标是调节合成代谢和分解代谢过程，以响应环境信号（包括生长因子和营养素）的途径的中心组成部分。氨基酸促进mTORC1易位至溶酶体表面，其活化剂Rheb位于其中。这种定位取决于异二聚体的RagGTP酶，其由RAGA/RagB结合至RagC/RagD。

       mTORC1上游的氨基酸传感通路是复杂的，几个多组分复合物调节Rag异源二聚体，每个可能传递不同的氨基酸输入。GATOR1和FLCN-FNIP分别用于RAGA/ B和RagC/ D，而Ragulator锚定至溶酶体表面，并且还具有核苷酸交换活性。所述KICSTOR复合物结合GATOR1，并且将其募集到溶酶体中。并且GATOR1，是对氨基酸饥饿抑制mTORC1信号非常重要的一个蛋白。GATOR2的分子功能是未知的，但它在这个通路中是必须的，可能作用于GATOR1的上游。

       亮氨酸和精氨酸是mTORC1信号传导的公认的激活剂，最近的工作揭示了涉及的分子机制。溶酶体跨膜蛋白SLC38A9是溶酶体精氨酸传感器，其与Ragulator交互，而Sestrin2和CASTOR1分别是胞质亮氨酸和精氨酸的传感器，在没有其同源氨基酸的情况下，其结合并抑制GATOR2的功能。其他氨基酸是否以及如何影响mTORC1信号传导尚不清楚。

 

如何寻找新的氨基酸信号转导蛋白？

       为了搜索与GATOR1或KICSTOR结合的蛋白质，作者开发了通过免疫沉淀生成的BioPlex蛋白质 - 蛋白质相互作用数据库，然后对人胚胎肾（HEK）-293T细胞中的稳定表达的超过5000种蛋白质进行质谱分析。该分析揭示了先前未研究的蛋白C7orf60作为GATOR1（Depdc5，Npr13，Npr12）和KICSTOR（Kaptin，ITFG2，C12orf66，SZT2）的所有已知组分的推定的相互作用伙伴。由于下述原因，作者将C7orf60更名为SAMTOR（mTORC1上游的S-腺苷甲硫氨酸传感器）。

        作者确定了SAMTOR与GATOR1和KICSTOR共免疫沉淀，但不是GATOR2。此外，只有当KICSTOR被共表达时，过表达的GATOR1才协同免疫沉淀SAMTOR。因此，SAMTOR与GATOR1和KICSTOR的超复合物结合，并且两种复合物都是发生相互作用所必需的。并且SAMTOR的直系同源物编码在脊椎动物和一些无脊椎动物的基因组中，例如黑腹果蝇（Drosophilamelanogaster）。我们无法在秀丽隐杆线虫或酿酒酵母中鉴定SAMTOR直向同源物。

        为了确定SAMTOR是否调节mTORC1信号传导，作者在HEK-293T细胞中过表达SAMTOR，并监测S6激酶1（S6K1）（一种典型的mTORC1底物）的Thr389的磷酸化。SAMTOR表达以剂量依赖的方式抑制mTORC1信号传导，建立SAMTOR作为途径的负调节剂。氨基酸激活通过促进其定位于溶酶体表面。与SAMTOR抑制mTORC1的，绿色荧光蛋白（GFP）从溶酶体-标记SAMTOR移位的mTOR的程度类似于用GFP-Sestrin2，GATOR2的抑制剂。

 

如何建立和mTORC1通路的联系？

       为了将SAMTOR功能定位在mTORC1途径中，作者用建立的mTORC1调节子进行了上位实验。当与野生型RagA和RagC异源二聚体共表达时，SAMTOR的过度表达抑制mTORC1信号传导，但是与组成型活性的突变异源二聚体（RagAQ66L和RagCS75N）不相容。另外，SAMTOR在没有GATOR1或KICSTOR组分的细胞中不抑制mTORC1信号传导。因此，SAMTOR作用于RagGTP酶的上游，需要GATOR1和KICSTOR抑制mTORC1信号。结合交互作用数据，这些结果与SAMTOR推广GATOR1和/或KICSTOR的功能是一致的，这两者都是mTORC1信号的负调控因子。

 

 这个蛋白感受何种氨基酸？

        序列分析显示，SAMTOR含有一个Rossmann结构的甲基转移酶结构域。这些结构域是已知的结合SAM的，并且在细菌，古生菌，以及真菌中广泛存在。所以作者测试了SAM和SAMTOR的解离常数大约为7 μM，并且可以同时结合SAH。

 

体内坐实这个反应

      鉴于这些发现，作者想SAM和SAH是否调节SAMTOR和GATOR1-KICSTOR的相互作用。事实上，SAM和SAH，而不是甲硫氨酸，同型半胱氨酸，腺苷，5-甲硫腺苷，亮氨酸或异亮氨酸，直接加入到保持在4℃的免疫纯化复合物中时，干扰了相互作用。因此，SAM破坏SAMTOR和GATOR1-KICSTOR之间的相互作用类似于亮氨酸和精氨酸诱导释放Sestrin2。鉴于SAH具有相同的效果，SAM不可能需要甲基化使SAMTOR从GATOR1-KICSTOR上解离。

       并且在细胞中，蛋氨酸缺乏以SAMTOR依赖的方式减弱了GATOR1和GATOR2之间的相互作用，而甲硫氨酸的加入则使相互作用恢复到正常水平。另外，以剂量依赖性方式，SAMTOR过表达足以破坏GATOR1和GATOR2之间的相互作用。通过控制甲硫氨酸的摄入可以降低SAM的含量，从而破坏了SAMTOR和GATOR1和KICSTOR的相互作用，在体内坐实了这个证据。此外，向蛋氨酸饥饿的细胞中添加SAM重新激活mTORC1信号传导（图4H），表明介导蛋氨酸限制对mTORC1的抑制作用的是SAM水平的下降。鉴于这些发现，作者预测甲硫氨酸腺苷转移酶（MAT2A）的丧失将阻止mTORC1通过阻断其转化成SAM而感知甲硫氨酸。

       在后生动物中，mTORC1途径感觉到多种氨基酸，这表明这些营养素在其进化过程中有时是稀缺的。从SAMTOR的存在可以得出两个推论：（i）SAM可以在某些营养状态中变得有限，和（ii）在这些条件下调节mTORC1有利于维持机体内稳态。实际上，低的饮食中蛋氨酸减少组织SAM水平，改善胰岛素敏感性，并且在小鼠和大鼠延长寿命。推测这些益处可能部分通过SAMTOR依赖性的mTORC1抑制来介导，这对于其对葡萄糖代谢和衰老过程的影响是很好的。鉴于SAMTOR具有SAM结合口袋，可能在药理学上调节SAMTOR功能。

 

文章链接：

http://science.sciencemag.org/content/358/6364/813.full

文章引用：

DOI：10.1126 / science.aao3265