Nature论文详解：发现全新亮氨酸受体蛋白SAR1B，通过mTORC1调控肺癌发生

mTOR全称为哺乳动物雷帕霉素靶点（mammalian target of rapamycin， mTOR），在细胞生命活动和代谢调控中具有重要地位，mTOR信号通路与许多人类疾病，如糖尿病、肿瘤、神经退行性疾病、免疫和衰老有着密切的关联。mTOR在细胞内存在mTORC1和mTORC2两种不同的复合体，而mTORC2组分在小鼠中的缺失容易引起早期的致死性，使mTORC2的研究变得复杂，因此目前对mTORC1的结构和功能研究较多。

mTORC1激活的过程可能有助于肿瘤的发生，它通常在氨基酸充足时被激活，通过促进合成代谢并抑制分解代谢来促进细胞生长。蛋白复合体GATOR2可以向mTORC1传递氨基酸信号，并在氨基酸充足时激活mTORC1。目前已知有两种氨基酸受体可以通过与GATOR2互作来调节mTORC1信号，它们是亮氨酸受体Sestrin2和精氨酸受体CASTOR1。

2021年7月21日，北京大学未来技术学院分子医学研究所、北大-清华生命科学联合中心、北京未来基因诊断高精尖创新中心刘颖课题组在 Nature 在线发表了题为：SAR1B senses leucine levels to regulate mTORC1 signalling 的研究论文。

该研究报道了一种全新的亮氨酸受体蛋白SAR1B对mTORC1的调控机制，并发现SAR1B-mTORC1信号在人类非小细胞肺癌中发挥潜在作用。

研究思路及结果展示

SAR1B控制亮氨酸依赖的mTORC1信号

研究人员试图寻找更多将氨基酸信号传递给mTORC1的上游调控因子，并发现一个参与囊泡形成的小G蛋白酶——SAR1B在氨基酸缺乏时可以与GATOR2结合，敲低SAR1B导致mTORC1对氨基酸缺乏不敏感从而持续保持活性，且SAR1B的缺乏特异地影响亮氨酸对mTORC1的调节，而对其它氨基酸没有影响，这说明SAR1B可能是一种亮氨酸受体。另外，损伤的SAR1B不能结合GATOR2，也不会抑制mTORC1的信号（1c、1d），SAR1B与GATOR2之间依赖于亮氨酸的相互作用对于SAR1B对mTORC1的调控至关重要。在缺乏亮氨酸的情况下SAR1B存在会抑制mTORC1信号（1a），SAR1B与GATOR2的互作对亮氨酸敏感（1b）。

通过免疫共沉淀以及体外实验等研究蛋白及各组分之间的互作，研究人员得出结论：当亮氨酸缺乏时，SAR1B结合并抑制mTORC1激活因子GATOR2复合物，使mTORC1失活，合成代谢停滞；当亮氨酸充足时，SAR1B与亮氨酸结合，发生构象变化，与GATOR2解离，激活mTORC1，启动合成代谢。并绘制了亮氨酸信号调控的SAR1B-GATOR2互作和mTORC1信号的模式图（1e）。

图1：SAR1B感知细胞内亮氨酸水平并通过GATOR2来调节mTORC1信号

SAR1B和Sestrin2在亮氨酸感知上具有差异性

上述实验表明SAR1B与Sestrin2可能同时作为亮氨酸感受器，但二者在作用方式上不同，研究人员对SAR1B和已报道的Sestrin2进行了比较，并阐述了不同之处。

1）它们结合在GATOR2的不同亚基上。SAR1B结合Mios亚基，Sestrin2结合Seh1L亚基（2d）。

2）它们与亮氨酸结合的亲和力不同，SAR1B比Sestrin2对亮氨酸有更高的亲和力。SAR1B能够感知到更低浓度的亮氨酸，而Sestrin2感知相对高浓度的亮氨酸（2d）。

3）它们识别亮氨酸不同的结构特征。SAR1B识别亮氨酸的氨基和侧链，能够容忍羧基修饰。而Sestrin2识别亮氨酸的氨基和羧基，能够一定程度上容忍侧链修饰（2a、b）。

4）两个受体蛋白存在组织分布差异性，且在肌肉中，两个受体协同调控mTORC1（2c）。

图2：SAR1B和Sestrin2的差异及二者协同调控mTORC1信号模式图

SAR1B在人类非小细胞肺癌中发挥潜在的抑制作用

人肺鳞状细胞癌和肺腺癌中SAR1B突变数量和突变频率的统计数据显示，SAR1B在人肺鳞状细胞癌和肺腺癌中常常是缺失的，另外，同时沉默两种人肺成纤维细胞（IMR-90和HFL1）中的SAR1B及其同源蛋白SAR1A，消除了亮氨酸敏感性，并结构性地激活了mTORC1。

于是研究人员提出SAR1B-mTORC1信号可能在人类非小细胞肺癌中发挥潜在作用，并随后建立了皮下异种移植肿瘤模型（3a）和原位异种移植肿瘤模型(3c)证明该假设。研究发现：缺乏SAR1A和SAR1B促进皮下肿瘤生长（3b），同时促进小鼠肺内肿瘤生长（3d），另外代表性的免疫组化图像显示缺乏SAR1A和SAR1B可以促进肿瘤中的代谢重编程（3e），促进肿瘤的生长增殖。以上实验结果表明SAR1B可能在人类非小细胞肺癌中发挥潜在抑制作用。

图3：SAR1B在肺癌中是潜在的肿瘤抑制子

综上所述，该研究发现了一个全新的亮氨酸受体蛋白SAR1B，并解析了其感应亮氨酸并通过GATOR2调控mTORC1信号的分子机制。通过生物信息学分析和建立裸鼠原位瘤模型，研究人员证明了SAR1B是一个潜在的人类非小细胞肺癌抑癌因子，有希望成为非小细胞肺癌的新型生物标志物，为非小细胞肺癌的治疗提供新的药物靶标。

参考文献：

1. Robert A. Saxton, David M. Sabatini.. mTOR Signaling in Growth, Metabolism, and Disease. Cell 168, 960-976 (2017)

2. Bar-Peled, L. et al. A Tumor suppressor complex with GAP activity for the Rag GTPasesthat signal amino acid sufficiency to mTORC1. Science 340, 1100–1106 (2013)

3. Wolfson, R. L. et al. Sestrin2 is a leucine sensor for the mTORC1 pathway. Science 351,43–48 (2016)

4. Zanetti, G., Pahuja, K. B., Studer, S., Shim, S. & Schekman, R.. COPII and the regulation of protein sorting in mammals. Nat. Cell Biol. 14, 20–28 (2012)