细胞的生长如何被调节是生命科学中的最基本问题之一。这一过程主要由TOR(Target of Rapamycin)信号通路来控制。TOR信号通路在进化上非常保守,从酵母到哺乳动物都发现有TOR基因。哺乳动物中TOR基因被命名为nTOR(mammalian Target of Rapamycin)。 mTORCl(mTOR complex1)信号通路的激活依赖于生长因子(如胰岛素)、能量(如葡萄糖)、以及营养(如氨基酸)的共同刺激,并且这三者缺一不可。激活后的mTORC1信号通路调节一系列生物学过程包括蛋白质合成、脂类合成、核苷酸合成,最终促进细胞的生长。生长因子以及能量如何激活mTORC1的信号级联反应人们已经有了比较详细的了解,但氨基酸如何激活mTORC1人们却知之甚少。2008年两个研究小组同时独立发现RagGTPases能够介导氨基酸激活mTORCl,从而填补了氨基酸到mTORC1之间信号传递的空白。Rag GTPases亚家族属于Ras小G蛋白家族。在人基因组里有四个Rag GTPase成员,分别为RagA、 RagB、RagC、RagD。其中RagA和RagB高度同源,RagC和RagD高度同源。RagA或RagB能够与RagC或RagD形成专性二聚体复合物。值得一提的是,Rag GTPases是据我们所知的Ras小G蛋白家族中唯一能够形成二聚体的小G蛋白。Rag GTPases从酵母到哺乳动物高度保守。酵母中RagA或RagB的同源基因为Gtrlp; RagC或RagD的同源基因为Gtr2p。与Rag GTPases复合物相似,Gtr1p和Gtr2p也形成专性二聚体复合物。Rag GTPases通过与Ragulator复合物的相互作用将自己锚定在溶酶体上。溶酶体上同时存在能够激活mTORC1的另一个小G蛋白Rheb。Rheb的激活依赖于生长因子和能量的刺激。当细胞接受到生长因子,能量以及氨基酸信号刺激时,生长因子和能量能够激活Rheb。氨基酸则可以通过改变Rag GTPases鸟嘌呤核苷酸的结合状态来活化Rag GTPases。活化后的Rag GTPases当中RagA/B结合GTP, RagC/D结合GDP。活化的Rag GTPases能够与mTORC1中的组分Rapto特异性结合并将mTORC1招募到溶酶体上,从而使得溶酶体上的Rheb能够结合并激活mTORC1。同时这也解释了为什么mTORC1的激活需要生长因子、能量以及营养的共同刺激,三者缺一不可。尽管人们已经证实Rag GTPases能够介导氨基酸激活mTORC1, Rag GTPases如何结合mTORC1并激活mTORC1的分子机制并不清楚。为了阐明Rag GTPases介导氨基酸激活mTORC1的分子机制,我们借助于结构生物学手段解析了Rag GTPases在酵母中同源复合物Gtrlp-Gtr2p结合GMPPNP时分辨率为2.8A的晶体结构。晶体结构显示,Gtrlp-Gtr2p结构总体呈马蹄形,Gtrlp与Gtr2p结构非常相似并呈伪二重旋转对称。Gtrlp与3tr2p通过C端结构域的大面积相互作用形成紧密的异二聚体。Gtrlp与Gtr2p的GTPase结构域互相非常接近,但它们之间没有直接相互作用。两个GTPase结构域的“开关”区域朝向相反的方向。因为Rag GTPases的功能从酵母到哺乳动物高度保守,我们便以Gtrlp-Gtr2p的结构为导向,在哺乳动物细胞里对RagA-RagC复合物进行了一系列生物化学与细胞生物学研究。结果表明,RagA和RagC的N端GTPase结构域以及C端二聚体对于氨基酸激活nTORC1都是不可或缺的。同时我们找到了RagA-RagC与Raptor相互作用的关键氨基酸。这些氨基酸位于RagA的“开关”区域。这些氨酸酸突变能够完全阻断RagA-RagC与Raptor的结合,同时也使得mTORC1对氨基酸的刺激不再敏感。RagA-RagC的C端二聚体则能够与Ragulator复合物中的P18蛋白相互作用,从而将RagA-RagC锚定在溶酶体上,以行使将nTORC1招募到溶酶体上的功能。值得一提的是,RagA-RagC的C端二聚体在结构上和Ragulator复合物中的MP1-P14结构及其相似,但我们目前还不了解这种相似性的生物学意义。总之,该研究阐明了Rag GTPases与mTORC1相互作用并将其招募至溶酶体上的分子机制。由于mTORC1的活性与癌症,衰老密切相关,该研究也为人们通过调控mTORC1的活性来治疗癌症,延缓衰老提供了新的理论依据。