KICSTOR招募GATOR1至溶酶体,并且是营养物质调控mTORC1所必需的

KICSTOR recruits GATOR1 to the lysosome and is necessary for nutrients to regulate mTORC1.

作者信息Rachel L Wolfson, Lynne Chantranupong, Gregory A Wyant, Xin Gu, Jose M Orozco, Kuang Shen, Kendall J Condon, Sabrina Petri, Jibril Kedir, Sonia M Scaria, Monther Abu-Remaileh, Wayne N Frankel, David M Sabatini
PMID28199306
期刊Nature
发布时间2017-03-16
DOI10.1038/nature21423

实验完整度

高

结合免疫共沉淀、质谱、CRISPR敲除、免疫荧光、溶酶体纯化及Szt2基因陷阱小鼠体内验证

主要模型

HEK-293T细胞 HeLa细胞 Szt2基因陷阱小鼠

重点核对

HEK-293T细胞中氨基酸饥饿50分钟或饥饿后重新刺激10分钟 葡萄糖饥饿50分钟后5 mM D-葡萄糖重新刺激10分钟 Szt2GT/GT小鼠禁食8小时后检测肝脏、肌肉和脑组织 CRISPR/Cas9构建KICSTOR、GATOR1或GATOR2组分缺陷细胞 溶酶体免疫纯化使用稳定表达HA-RFP-LAMP1的HEK-293T细胞

摘要

雷帕霉素机制靶点复合物1激酶(mTORC1)是细胞生长的中心调控因子,响应多种环境信号,并在包括癌症和癫痫在内的多种人类疾病中失调。氨基酸是关键输入信号,通过Rag GTP酶促进mTORC1转位至其激活位点溶酶体表面。多种蛋白复合物响应氨基酸调控Rag GTP酶,包括GATOR1(RagA的GTP酶激活蛋白)和GATOR2(正向调控因子,分子功能未知)。在此,我们鉴定了一个由KPTN、ITFG2、C12orf66和SZT2基因产物组成的四成员蛋白复合物(KICSTOR),为培养细胞中氨基酸或葡萄糖剥夺抑制mTORC1所必需。在缺乏SZT2的小鼠中,包括大脑神经元在内的多个组织中mTORC1信号增强。KICSTOR定位于溶酶体;结合GATOR1并将其(而非GATOR2)招募至溶酶体表面;并且是GATOR1与其底物Rag GTP酶以及GATOR2相互作用所必需。有趣的是,多个KICSTOR组分在与mTORC1信号过度活跃突变相关的神经系统疾病中发生突变。因此,KICSTOR是一个溶酶体相关的mTORC1信号负调控因子,与GATOR1一样,在人类疾病中发生突变。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
鉴定响应氨基酸调控mTORC1的新型蛋白复合物及其作用机制。
核心机制
KICSTOR定位于溶酶体,通过SZT2结合GATOR1并将其招募至溶酶体表面,促进GATOR1与Rag GTP酶及GATOR2相互作用,从而负调控mTORC1信号。
主要证据
在HEK-293T和HeLa细胞中,KICSTOR组分缺失导致氨基酸或葡萄糖饥饿不能抑制mTORC1信号;Szt2GT/GT小鼠多个组织中mTORC1信号增强;免疫荧光和溶酶体纯化显示KICSTOR缺失使GATOR1不能定位于溶酶体。
研究意义
KICSTOR是mTORC1信号的负调控因子,其组分突变与癫痫和脑畸形等神经系统疾病相关,提示这些疾病可能与mTORC1信号过度活跃有关。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

鉴定KICSTOR复合物

寻找与GATOR1相互作用的未知蛋白。

利用CRISPR/Cas9在HEK-293T细胞中内源标记DEPDC5,免疫沉淀后质谱分析鉴定KPTN、ITFG2、C12orf66和SZT2。

2

验证KICSTOR与GATOR1的相互作用及复合物组装

确定KICSTOR组分间的相互作用及其与GATOR1/GATOR2的关联。

在HEK-293T或HEK-293E细胞中瞬时或稳定表达FLAG或GFP标记的KICSTOR、GATOR1、GATOR2组分,进行免疫共沉淀和免疫印迹;利用SZT2或C12orf66缺陷细胞分析组分依赖关系。

3

确定KICSTOR的亚细胞定位

检测KICSTOR是否定位于溶酶体。

在HeLa细胞中稳定表达GFP-ITFG2,进行氨基酸饥饿或饥饿后刺激,免疫荧光检测GFP和溶酶体标记LAMP2。

4

验证KICSTOR对mTORC1信号调控的功能

检测KICSTOR组分缺失是否影响氨基酸或葡萄糖饥饿对mTORC1的抑制。

利用CRISPR/Cas9构建KICSTOR组分缺陷的HEK-293T或HeLa细胞,进行氨基酸或葡萄糖饥饿及重新刺激,免疫印迹检测S6K1、4E-BP1、ULK1磷酸化及LC3B加工。

5

体内验证SZT2对mTORC1信号的抑制

检测SZT2缺失小鼠中mTORC1信号是否增强。

对Szt2GT/GT和野生型小鼠禁食8小时,取肝脏、腓肠肌、心脏和脑组织,免疫印迹检测S6和4E-BP1磷酸化,免疫组化检测磷酸化S6。

6

上位性分析确定KICSTOR在mTORC1通路中的作用位置

确定KICSTOR作用于Rag GTP酶、GATOR1或GATOR2的上游或下游。

在SZT2缺陷细胞中表达显性负性Rag GTP酶、过表达GATOR1或敲除GATOR2,检测mTORC1信号;并检测KICSTOR缺失对mTOR溶酶体定位的影响。

7

验证KICSTOR对GATOR1溶酶体定位和相互作用的影响

检测KICSTOR是否招募GATOR1至溶酶体并影响其与Rag GTP酶和GATOR2的相互作用。

在KICSTOR缺陷细胞中免疫荧光检测GATOR1定位,纯化溶酶体免疫印迹检测GATOR1,免疫共沉淀检测GATOR1与RagA/RagC及GATOR2的相互作用。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
抗LAMP2抗体Santa Cruz Biotechnologysc-18822
抗ITFG2抗体Santa Cruz BiotechnologySC 134686
抗PEX19抗体Abcamab137072
抗raptor抗体EMD Millipore2818718
抗Sec13抗体Gene TexGTX 101055
抗磷酸化T389 S6K1抗体Cell Signaling Technology9234
抗S6K1抗体Cell Signaling Technology2708
抗磷酸化S235/236 S6抗体Cell Signaling Technology2211
抗S6抗体Cell Signaling Technology2217
抗磷酸化S65 4E-BP1抗体Cell Signaling Technology9451
抗4E-BP1抗体Cell Signaling Technology9644
抗磷酸化757 ULK1抗体Cell Signaling Technology6888
抗ULK1抗体Cell Signaling Technology8054
抗磷酸化792-raptor抗体Cell Signaling Technology2083
抗磷酸化79-ACC抗体Cell Signaling Technology3661
抗ACC抗体Cell Signaling Technology3662
抗磷酸化T308-Akt抗体Cell Signaling Technology4056
抗Akt抗体Cell Signaling Technology4691
抗LC3B抗体Cell Signaling Technology2775
抗mTOR抗体Cell Signaling Technology2983
抗RagC抗体Cell Signaling Technology3360
抗Mios抗体Cell Signaling Technology13557
抗VDAC抗体Cell Signaling Technology4661
抗Calreticulin抗体Cell Signaling Technology12238
抗Golgin-97抗体Cell Signaling Technology13192
抗Cathepsin D抗体Cell Signaling Technology2284
抗myc抗体Cell Signaling Technology2278
抗FLAG抗体Cell Signaling Technology2368
抗HA抗体Cell Signaling Technology3724
抗HA抗体Bethyl laboratoriesA190208A
抗KPTN抗体ProteinTech16094-1AP
抗Nprl3抗体SigmaHPA0011741
RPMI培养基Sigma Aldrich--
FLAG M2亲和凝胶Sigma Aldrich--
DMEM培养基SAFC Biosciences--
XtremeGene9转染试剂Roche--
Complete蛋白酶抑制剂混合物Roche--
Alexa 488偶联二抗Invitrogen--
Alexa 568偶联二抗Invitrogen--
灭活胎牛血清Invitrogen--
无氨基酸RPMIUS Biologicals--
聚凝胺Millipore--
QuickExtract DNA提取液Epicentre--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
氨基酸饥饿与刺激
饥饿时间50分钟,刺激时间10分钟,无氨基酸RPMI培养基,氨基酸混合物配方引用文献17
阅读提示:Methods: Cell lysis, immunoprecipitations, transfections, and lysosomal purifications
葡萄糖饥饿与刺激
饥饿时间50分钟,刺激浓度5 mM D-葡萄糖,刺激时间10分钟
阅读提示:Methods: Cell lysis, immunoprecipitations, transfections, and lysosomal purifications
小鼠禁食实验
禁食时间8小时(早7点开始),小鼠年龄1-5个月,Szt2GT/GT和野生型各若干只,样本量基于野生型变异确定,未随机化或盲法
阅读提示:Methods: Analysis of mTORC1 signaling in Szt2GT/GT mice
CRISPR/Cas9基因敲除
sgRNA序列,转染质粒量,嘌呤霉素筛选浓度,单细胞分选条件,克隆验证方法(免疫印迹或基因组测序)
阅读提示:Methods: Generation of cells with loss of function mutations in GATOR2, GATOR1, or KICSTOR components
免疫荧光定量分析
每个条件至少3个视野,每个视野2-5个细胞,总细胞数≥10,溶酶体富集因子计算方法,双尾t检验,p<0.05
阅读提示:Methods: Immunofluorescence assays
溶酶体免疫纯化
使用稳定表达HA-RFP-LAMP1的HEK-293T细胞,抗HA珠免疫纯化
阅读提示:Methods: Cell lysis, immunoprecipitations, transfections, and lysosomal purifications