撰文丨亦

哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是控制細(xì)胞生長、代謝和增殖的核心激酶，其通過組裝成兩個不同的超大復(fù)合物 mTORC1 和 mTORC2 來行使功能【1-2】。mTORC2 作為 PI3K 和小 GTP 酶 Ras 信號網(wǎng)絡(luò)的中樞節(jié)點，其失調(diào)與癌癥、糖尿病等多種疾病密切相關(guān)【3-5】。盡管 mTOR 在體外對底物具有混雜的磷酸化活性，但在細(xì)胞內(nèi)，mTORC1 和 mTORC2 表現(xiàn)出高度的底物特異性：mTORC2 特異性磷酸化蛋白激酶 Akt 和 PKC，而不磷酸化結(jié)構(gòu)相近的 mTORC1 底物【3,6】。mTORC2 如何從眾多激酶中精準(zhǔn)識別其經(jīng)典底物，是信號轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域長期未解的核心問題。尤其是在激酶——底物相互作用普遍短暫且微弱的情況下，闡明其結(jié)構(gòu)機(jī)制極具挑戰(zhàn)性【7,8】。

近日，來自布萊根婦女醫(yī)院醫(yī)學(xué)部遺傳學(xué)系的Philip A. Cole團(tuán)隊、來自斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院結(jié)構(gòu)生物學(xué)系的Kacper B. Rogala團(tuán)隊和來自俄亥俄州立大學(xué)醫(yī)學(xué)院癌癥生物學(xué)與遺傳學(xué)系的Nam Chu團(tuán)隊合作，在 Science 上發(fā)表了題為

Structural basis for the recruitment and selective phosphorylation of Akt by mTORC2

首先，研究者突破了關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，證實了 mTORC2 對 Akt 的直接磷酸化不依賴于局部序列。通過使用化學(xué)半合成技術(shù)獲得均一蛋白，本研究首次明確 mTORC2 可直接磷酸化 Akt 的疏水模體 Ser473 和 turn 模體 Thr450，而非通過 Akt 自磷酸化。更重要的是，磷酸化位點 Ser473 兩側(cè)的保守殘基突變對反應(yīng)速率影響甚微，表明 mTORC2 的底物識別不依賴磷酸化位點附近的局部線性序列。為解決 mTORC2 與 Akt 親和力弱、復(fù)合物不穩(wěn)定的難題，作者創(chuàng)新性地設(shè)計了共價連接 Akt 與抑制劑 Torin1 的“雙底物類似物”Akt-Torin，成功捕獲了瞬時的 mTORC2-Akt 復(fù)合物，為后續(xù)高分辨率結(jié)構(gòu)解析奠定了基礎(chǔ)。

其次，冷凍電鏡結(jié)構(gòu)首次揭示了 mTORC2 通過“長程對接”識別底物三維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵界面。解析獲得的 mTORC2:Akt-Torin 復(fù)合物結(jié)構(gòu)顯示，Akt激酶結(jié)構(gòu)域結(jié)合在遠(yuǎn)離mTOR催化中心約75 ?的位置，形成了“底物拱”。研究發(fā)現(xiàn)了兩個決定特異性的遠(yuǎn)端對接界面：界面1 是 Akt N 葉的堿性斑塊與 mTORC2 特有亞基 mSin1 的 CRIM 結(jié)構(gòu)域酸性環(huán)之間的強(qiáng)靜電相互作用；界面2 是 Akt C 葉與 mSin1 N 端“錨定區(qū)”之間的柔性疏水接觸。細(xì)胞與生化實驗證實，破壞任一界面都會顯著削弱甚至消除 Akt 的磷酸化。有趣的是，Akt 自身磷酸化的 turn 模體 pThr450 也結(jié)合在 N 葉的同一堿性斑塊上，與 mSin1 CRIM 形成動態(tài)競爭，這一發(fā)現(xiàn)解釋了 pThr450 對 Akt 的穩(wěn)定作用及其與 mTORC2 識別的精細(xì)調(diào)控關(guān)系。交聯(lián)質(zhì)譜數(shù)據(jù)進(jìn)一步獨立驗證了這些關(guān)鍵相互作用。

再者，膜共定位是 mTORC2 高效磷酸化 Akt 的關(guān)鍵調(diào)控步驟。整合結(jié)構(gòu)模型顯示，mTORC2 和 Akt 各自的 PH 結(jié)構(gòu)域可以并排排列，共同面向質(zhì)膜。體外實驗證明，膜磷脂 PIP3 能通過招募 Akt 將其 PH結(jié)構(gòu)域，在低底物濃度下將 mTORC2 的催化效率提高 2-3 倍。在細(xì)胞中，缺失 PH 結(jié)構(gòu)域的 mSin1 突變體會損害 Akt Ser473 的磷酸化。這些結(jié)果表明，生長因子刺激下，mTORC2 與 Akt 通過各自 PH 結(jié)構(gòu)域共定位于富含 PIP3 的質(zhì)膜，大幅提高了兩者相遇的局部濃度，是實現(xiàn)高效、特異性磷酸化的重要前提。

最后，該研究確立的“三維結(jié)構(gòu)長程對接”機(jī)制是 mTORC2 識別其 AGC 激酶底物家族的普遍范式。研究人員將機(jī)制拓展至 mTORC2 的其他底物 PKCα 和 PKN1，發(fā)現(xiàn)類似的界面突變同樣會影響它們的磷酸化。這表明，mTORC2 通過識別底物激酶 N 葉保守的堿性表面（界面1）和 C 葉的輔助接觸（界面2），實現(xiàn)了對多個 AGC 家族激酶的通用性識別。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了僅憑局部序列決定激酶底物特異性的傳統(tǒng)認(rèn)知。

總之，該工作系統(tǒng)性地闡明了 mTORC2 選擇性識別與激活 Akt 的完整分子機(jī)制，從底物直接磷酸化、長程對接結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、膜定位調(diào)控到機(jī)制的普遍適用性。這不僅解決了該領(lǐng)域數(shù)十年的核心謎題，也為未來開發(fā)選擇性 mTORC2 抑制劑（如靶向 mSin1 CRIM 界面）提供了全新的理論框架與精準(zhǔn)靶點。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv7111

制版人： 十一

參考文獻(xiàn)

1. H. Yang et al., Mechanisms of mTORC1 activation by RHEB and inhibition by PRAS40.Nature552, 368–373 (2017).

2. K. B. Rogala et al., Structural basis for the docking of mTORC1 on the lysosomal surface.Science366, 468–475 (2019).

3. D. D. Sarbassov, D. A. Guertin, S. M. Ali, D. M. Sabatini, Phosphorylation and regulation of Akt/PKB by the rictor-mTOR complex.Science307, 1098–1101 (2005).

4. G. Y. Liu, D. M. Sabatini, mTOR at the nexus of nutrition, growth, ageing and disease.Nat Rev Mol Cell Biol21, 183–203 (2020).

5. S. Battaglioni, D. Benjamin, M. Walchli, T. Maier, M. N. Hall, mTOR substrate phosphorylation in growth control.Cell185, 1814–1836 (2022).

6. R. Loewith et al., Two TOR complexes, only one of which is rapamycin sensitive, have distinct roles in cell growth control.Mol Cell10, 457–468 (2002).

7. A. Scaiola et al., The 3.2-? resolution structure of human mTORC2.Sci Adv6, eabc1251 (2020).

8. K. Y. Linde-Garelli, K. B. Rogala, Structural mechanisms of the mTOR pathway.Curr Opin Struct Biol82, 102663 (2023).

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