Science丨mTORC2 选择性磷酸化 Akt 的结构基础

撰文丨亦

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是控制细胞生长、代谢和增殖的核心激酶，其通过组装成两个不同的超大复合物 mTORC1 和 mTORC2 来行使功能【1-2】。mTORC2 作为 PI3K 和小 GTP 酶 Ras 信号网络的中枢节点，其失调与癌症、糖尿病等多种疾病密切相关【3-5】。尽管 mTOR 在体外对底物具有混杂的磷酸化活性，但在细胞内，mTORC1 和 mTORC2 表现出高度的底物特异性：mTORC2 特异性磷酸化蛋白激酶 Akt 和 PKC，而不磷酸化结构相近的 mTORC1 底物【3,6】。mTORC2 如何从众多激酶中精准识别其经典底物，是信号转导领域长期未解的核心问题。尤其是在激酶——底物相互作用普遍短暂且微弱的情况下，阐明其结构机制极具挑战性【7,8】。

近日，来自布莱根妇女医院医学部遗传学系的Philip A. Cole团队、来自斯坦福大学医学院结构生物学系的Kacper B. Rogala团队和来自俄亥俄州立大学医学院癌症生物学与遗传学系的Nam Chu团队合作，在 Science 上发表了题为

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

首先，研究者突破了关键技术瓶颈，证实了 mTORC2 对 Akt 的直接磷酸化不依赖于局部序列。通过使用化学半合成技术获得均一蛋白，本研究首次明确 mTORC2 可直接磷酸化 Akt 的疏水模体 Ser473 和 turn 模体 Thr450，而非通过 Akt 自磷酸化。更重要的是，磷酸化位点 Ser473 两侧的保守残基突变对反应速率影响甚微，表明 mTORC2 的底物识别不依赖磷酸化位点附近的局部线性序列。为解决 mTORC2 与 Akt 亲和力弱、复合物不稳定的难题，作者创新性地设计了共价连接 Akt 与抑制剂 Torin1 的“双底物类似物”Akt-Torin，成功捕获了瞬时的 mTORC2-Akt 复合物，为后续高分辨率结构解析奠定了基础。

其次，冷冻电镜结构首次揭示了 mTORC2 通过“长程对接”识别底物三维结构的关键界面。解析获得的 mTORC2:Akt-Torin 复合物结构显示，Akt激酶结构域结合在远离mTOR催化中心约75 Å的位置，形成了“底物拱”。研究发现了两个决定特异性的远端对接界面：界面1 是 Akt N 叶的碱性斑块与 mTORC2 特有亚基 mSin1 的 CRIM 结构域酸性环之间的强静电相互作用；界面2 是 Akt C 叶与 mSin1 N 端“锚定区”之间的柔性疏水接触。细胞与生化实验证实，破坏任一界面都会显著削弱甚至消除 Akt 的磷酸化。有趣的是，Akt 自身磷酸化的 turn 模体 pThr450 也结合在 N 叶的同一碱性斑块上，与 mSin1 CRIM 形成动态竞争，这一发现解释了 pThr450 对 Akt 的稳定作用及其与 mTORC2 识别的精细调控关系。交联质谱数据进一步独立验证了这些关键相互作用。

再者，膜共定位是 mTORC2 高效磷酸化 Akt 的关键调控步骤。整合结构模型显示，mTORC2 和 Akt 各自的 PH 结构域可以并排排列，共同面向质膜。体外实验证明，膜磷脂 PIP3 能通过招募 Akt 将其 PH结构域，在低底物浓度下将 mTORC2 的催化效率提高 2-3 倍。在细胞中，缺失 PH 结构域的 mSin1 突变体会损害 Akt Ser473 的磷酸化。这些结果表明，生长因子刺激下，mTORC2 与 Akt 通过各自 PH 结构域共定位于富含 PIP3 的质膜，大幅提高了两者相遇的局部浓度，是实现高效、特异性磷酸化的重要前提。

最后，该研究确立的“三维结构长程对接”机制是 mTORC2 识别其 AGC 激酶底物家族的普遍范式。研究人员将机制拓展至 mTORC2 的其他底物 PKCα 和 PKN1，发现类似的界面突变同样会影响它们的磷酸化。这表明，mTORC2 通过识别底物激酶 N 叶保守的碱性表面（界面1）和 C 叶的辅助接触（界面2），实现了对多个 AGC 家族激酶的通用性识别。这一发现颠覆了仅凭局部序列决定激酶底物特异性的传统认知。

总之，该工作系统性地阐明了 mTORC2 选择性识别与激活 Akt 的完整分子机制，从底物直接磷酸化、长程对接结构基础、膜定位调控到机制的普遍适用性。这不仅解决了该领域数十年的核心谜题，也为未来开发选择性 mTORC2 抑制剂（如靶向 mSin1 CRIM 界面）提供了全新的理论框架与精准靶点。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv7111

制版人： 十一

参考文献

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-Å 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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