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Nature丨北大刘颖组在mTORC1与肿瘤发生及衰老调节方向取得重要进展——刘伟教授点评

BioArt  · 公众号  · 2018-05-17 01:16

撰文/责编丨  迦  溆

点评丨刘伟(浙江大学)


自1991年瑞士巴塞尔大学Michael N. Hall教授课题组在Science杂志上率先报道了酵母中的TOR基因以及1994年David M. Sabatini 、Stuart L. Schreiber等纯化哺乳动物中的mTOR以来【1-3】,20多年过去了,围绕mTOR的研究仍然是高潮迭起,去年九月PNAS杂志还发表了David M. Sabatini署名的文章 Twenty-five years of mTOR: Uncovering the link from nutrients to growth 回顾了mTOR的研究历史【4】


近年来的研究表明,部分氨基酸激活mTOR主要是通过激活Rag GTPase A/B致其异源二聚体的形成,然后Rag二聚体与mTORC1的亚基Raptor相互作用,最终mTORC1在溶酶体表面被激活。2013年,Sabatini实验室在Science杂志上报道了调控Rag二聚体的上游关键调控复合物GATOR1。GATOR1能够水解Rag二聚体从而影响了mTORC1在溶酶体的定位(下图)【5】。如果抑制了GATOR1的活性,那么即便是在氨基酸饥饿的状态下,mTORC1仍然能被激活。那么在氨基酸激活mTORC1的过程中,GATOR1对mTORC1的抑制是如何被解除的呢?


氨基酸激活mTORC1调控细胞生长的模式图。图片引自:Shaw, R. J. (2013). GATORS take a bite out of mTOR. Science, 340(6136), 1056-1057.


北京时间,5月17日凌晨,北京大学分子医学研究所/北大-清华生命科学联合中心刘颖课题组在Nature杂志上发表了题为 KLHL22 activates amino-acid-dependent mTORC1 signalling to promote tumorigenesis and ageing 的论文,围绕GATOR1对mTORC1的抑制是如何被解除这一重要科学问题进行了阐述。研究表明,GATOR1复合物的关键亚基DEPDC5的蛋白稳定性受CUL3-KLHL22泛素连接酶调控,揭示了KLHL22对mTORC1的重要调控作用,并且该调控机制在物种中具有高度保守性。此外,该研究还通过小鼠肿瘤模型证明了KLHL22是一个通过激活mTORC1起作用的致癌基因,同时也是乳腺癌的一个潜在的治疗靶点



由于过去有不少研究表明,在许多物种中,抑制TORC1与延长寿命有很好的关联性【6-9】。在该研究中,证明了KLHL22在调控TORC1信号通路中进化上的保守性之后,利用相关的线虫突变体是可以很容易检测KLHL22的同源蛋白对寿命的调节作用。研究发现,线虫突变体mel-26KLHL22的同源基因)确实显著地延长了寿命。


在阐明KLHL22除了在调控长寿方面的功能之后,研究人员又通过公开的数据库Oncomine发现在多种乳腺癌细胞系中KLHL22的表达水平相比于正常组织是显著升高的,进一步通过和北大肿瘤医院合作发现拿到的所有乳腺癌病人的肿瘤样品中KLHL22都高表达,相应的DEPDC5(GATOR1复合物的关键亚基)表达下降,然后通过系列实验证明了在乳腺癌细胞系中敲除KLHL22后能够抑制氨基酸激发的DEPDC5蛋白的降解,当然最终的机构也是抑制了肿瘤细胞的生长。


分子机制以及生物学功能调控示意图


由于刘伟教授在点评部分很详细的介绍了这篇文章具体细节部分,而且有很精彩的点评,这里就不再赘述。


总的来说,这篇文章围绕关键科学问题慢慢展开,在解决最关键的第一步找到E3泛素连接酶之后,后面的问题都是顺理成章迎刃而解了,至于做到线虫寿命那更是回到刘颖课题组最擅长的部分了,最后一部分关联肿瘤发生,事实上根据mTORC1对肿瘤发生发展的调控作用本来就会有一个可能的预期,如果查询肿瘤数据库在发现有很好的相关性后面的问题也迎刃而解了。据悉,该工作用时两年左右,可以说花费的时间相对比较少了,一旦找准了关键的科学问题,然后借力好的筛选系统找准了研究点,其实很多研究工作是可以高效地完成的。


专家点评

刘伟(浙江大学医学院教授,Autophagy 杂志副主编)


Comments:自1990年Michael N. Hall实验室在酵母中鉴定到TOR 基因(BioArt注:相关工作1991年发表在Science),和1992年David M. Sabatini在Solonomon H. Snyder实验室读博士时利用凝胶银染纯化了mTOR以来(BioArt注:相关工作1994年发表在Cell),关于mTORC1的调控和功能研究成为了生命科学最热门的领域之一,mTORC1途径已被广泛认为是哺乳动物细胞最重要的营养和能量感受调节器,在细胞生长、代谢和衰老过程中发挥中心的调控作用(Master regulator)。mTORC1的活性调控机制非常复杂。较早时候的研究多集中在胰岛素等生长因子信号引起的PI3K-Akt通路,之后是AMPK和TSC1/2介导的负向调控作用。多种信号包括Akt和细胞应激信号,通过抑制TSC1/2(Rheb的GAP)激活Rheb GTPase,而定位于溶酶体表面的Rheb-GTP能直接与mTORC1作用并激活mTORC1。近年来的研究表明,氨基酸特别是亮氨酸、异亮氨酸和精氨酸等支链氨基酸,则是通过激活Rag GTPase A/B致其异源二聚体的形成,通过与mTORC1亚基Raptor的相互作用,将mTORC1带至溶酶体表面得以激活。异常激活的mTORC1被发现在多种肿瘤细胞和组织中,与肿瘤的发生发展密切相关。


重要的是,2013年,Sabatini实验室鉴定了两种具有Rag GAP活性的GATOR复合物。其中,GATOR1能通过水解RagA和RagB影响mTORC1在溶酶体的定位。他们发现,抑制GATOR1能在氨基酸缺乏时保持mTORC1的活性。他们还在肿瘤细胞中发现了GATOR1组分的失活突变,这些肿瘤细胞呈现异常激活的mTORC1活性和对氨基酸饥饿的耐受,同时表现出对mTORC1抑制剂雷帕霉素的高敏感性。这一发现,开辟了氨基酸调控mTORC1活性研究的新领域。


刘颖实验室的这项工作,首先提出了很好的科学问题,即氨基酸激活mTORC1过程中,GATOR1对mTORC1的抑制作用是如何被解除的。首先,他们发现氨基酸刺激能改变GATOR1重要亚基DEPDC5在细胞中的表达量,即培养液中氨基酸能减少细胞内DEPDC5的蛋白量,而氨基酸饥饿能增加细胞内的DEPDC5。从这一发现着手,他们证明了氨基酸能造成DEPDC5的K48泛素化和蛋白酶体介导的DEPDC5的降解。继而,他们利用质谱分析DEPDC5相互作用蛋白找到了CUL3泛素E3连接酶,并依据能潜在影响mTORC1活性、与肿瘤发生相关和能定位于溶酶体等特点,筛查发现了过表达后能促进DEPDC5降解的KLHL22蛋白,而后者常与CUL3形成复合物,充当CUL3识别其底物的适配蛋白,在细胞周期调控蛋白的降解中发挥关键作用。接下来,一切变得顺理成章。他们接着证明了KLHL22与DEPDC5的相互作用,鉴定出其作用位点和DEPDC5上的泛素化位点,利用针对性的突变体,验证了它们在介导DEPDC5降解中的作用。进一步,通过敲除或高表达KLHL22,他们证明其在mTORC1活性调控中的意义包括对细胞自噬和细胞大小的影响,并揭示KLHL22是作用在Rag GTPase的上游。通过对小鼠和线虫中KLHL22同源物的解析,他们发现KLHL22对 mTORC1信号调控作用的进化上的保守性。


有趣和重要的是,他们发现,在氨基酸饥饿的细胞中,KLHL22主要分布于细胞核,给予氨基酸能诱导KLHL22出核结合到溶酶体表面,降解定位于溶酶体表面的DEPDC5。


最后,为阐明KLHL22的生理意义,他们提供证据表明,失活KLHL22在线虫中的同源物能延长线虫的寿命,KLHL22在多个乳腺癌细胞系中高表达。同样,在临床乳腺癌病人的肿瘤组织中,他们发现了KLHL22蛋白的高表达伴随DEPDC5蛋白的减少。裸鼠皮下肿瘤细胞种植实验也证明KLHL22是个潜在的致癌基因,通过激活mTORC1信号促进乳腺癌的生长。


这是一项非常漂亮的工作,全面而细致。不仅证明了解除GATOR1的抑制作用在mTORC1激活中的重要性,更是阐明了决定GATOR1活性的DEPDC5的一种量控机制。正像作者在文中所述,KLHL22在乳腺癌中的高表达及其致癌作用,可为乳腺癌的治疗提供重要靶点。可以想见,KLHL22在其他肿瘤中的表达和突变,特别是S18位点磷酸化激酶的鉴定和KLHL22表达调控机制的探索,将是非常有意义的事情。


参考文献:

1、Heitman, J., Movva, N. R., & Hall, M. N. (1991). Targets for cell cycle arrest by the immunosuppressant rapamycin in yeast. Science, 905-909.

2、Sabatini, D.M., Erdjument-Bromage, H., Lui, M., Tempst, P., andSnyder, S.H. (1994). RAFT1: a mammalian protein that binds to FKBP12 in arapamycin dependent fashion and is homologous to yeast TORs. Cell 78,35–43.

3、Brown,E.J., Albers, M.W., Shin, T.B., Ichikawa, K., Keith, C.T., Lane, W.S., andSchreiber, S.L. (1994). A mammalian protein targeted by G1-arrestingrapamycin-receptor complex. Nature 369, 756–758.

4、Sabatini, D. M. (2017). Twenty-five years of mTOR: Uncovering the link from nutrients to growth. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201716173.

5、Bar-Peled, L., Chantranupong, L., Cherniack, A. D., Chen, W. W., Ottina, K. A., Grabiner, B. C., ... & Sabatini, D. M. (2013). A Tumor suppressor complex with GAP activity for the Rag GTPases that signal amino acid sufficiency to mTORC1. Science, 340(6136), 1100-1106.

6、Kaeberlein, M., Powers, R. W., Steffen, K. K., Westman, E. A., Hu, D., Dang, N., ... & Kennedy, B. K. (2005). Regulation of yeast replicative life span by TOR and Sch9 in response to nutrients. Science, 310(5751), 1193-1196.

7、Vellai, T., Takacs-Vellai, K., Zhang, Y., Kovacs, A. L., Orosz, L., & Müller, F. (2003). Genetics: influence of TOR kinase on lifespan in C. elegans. Nature, 426(6967), 620.

8、Kapahi, P., Zid, B. M., Harper, T., Koslover, D., Sapin, V., & Benzer, S. (2004). Regulation of lifespan in Drosophila by modulation of genes in the TOR signaling pathway. Current Biology, 14(10), 885-890.

9、Harrison, D. E., Strong, R., Sharp, Z. D., Nelson, J. F., Astle, C. M., Flurkey, K., ... & Pahor, M. (2009). Rapamycin fed late in life extends lifespan in genetically heterogeneous mice. Nature, 460(7253), 392.

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