Molecular mechanism of Rheb-dependent mTORC1 regulation
Rheb 依赖性 mTORC1 调节的分子机制
基本信息
- 批准号:10416125
- 负责人:
- 金额:$ 45.03万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2022
- 资助国家:美国
- 起止时间:2022-06-15 至 2026-04-30
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:AblationAffectAmino AcidsAspartateBindingBiogenesisCarbamyl PhosphateCell ProliferationCellsCodeComplexDataDatabasesDihydroorotaseEnzymesEpithelial CellsFRAP1 geneFunctional disorderGenerationsGoalsGrowthGrowth FactorHomeostasisKidneyKnockout MiceLigaseLipidsLiverLysosomesMachado-Joseph DiseaseMediatingMembraneMolecularMonomeric GTP-Binding ProteinsMusMutationNF-kappa BNucleotidesOrganPathway interactionsPhysiologicalPlayPolyubiquitinationPost-Translational Protein ProcessingProcessProtein KinaseProtein-Serine-Threonine KinasesProteinsProteomicsPyrimidineRecruitment ActivityRegulationReportingRoleSignal TransductionStarvationStructureSurfaceTissuesUbiquitincancer cellcell growthdensityin vivoinsightknock-downlysosome membranemulticatalytic endopeptidase complexnovelnucleotide metabolismpodocytepreferencerecruitresponsetranscarbamylaseubiquitin ligase
项目摘要
Project Summary/Abstract
mTORC1 is a master controller of cell growth/proliferation by regulating essential cellular anabolic
processes, including protein, lipid, and nucleotide synthesis. For mTORC1 activation, while amino acids
recruit mTORC1 to the lysosomal membrane through Rag small GTPases (Rags) activation, growth
factors execute mTORC1 activation on the lysosome by activating Rheb small GTPase, a direct
activator of mTORC1. However, the molecular mechanisms by which lysosomal mTORC1 recruited by
the active Rags finds and interacts with Rheb on the lysosome have not been well understood. We
recently reported that amino acid stimulation increased polyubiquitinated Rheb (Ub-Rheb) levels, which
forms heteromultimers with ubiquitin-free Rheb and displays a strong binding preference for mTORC1,
thereby supporting mTORC1 activation on the lysosome (Yao et al., Mol Cell, 2020). We identified that
Ataxin3 acts as a key lysosomal Ub-Rheb deubiquitinase whose lysosomal localization is mitigated by
amino acid-induced active Rags. We hypothesized that ubiquitin-dependent higher-order of assembly
of Rheb might increase its density on the lysosome membrane and help sequester mTORC1 and its
effectors for activation. However, ubiquitin ligases for Rheb, which generate Rheb polyubiquitination
and support mTORC1 activation, have not been identified. Using Ub-Rheb-interacting proteomics and
lysosome proteomics databases, we identified that both HUWE1 and the Cullin3 ubiquitin ligase
complex interact with Rheb and positively regulate cellular mTORC1 activity without affecting Akt
activity. Our preliminary data indicate that HUWE1 is required for Rheb to interact with both mTORC1
and CAD, a key enzyme for de novo pyrimidine synthesis, of which activity is stimulated by Rheb and
the mTORC1-S6K1 pathway. In this proposal, we will study the molecular mechanisms by which
HUWE1 and the CUL3 ubiquitin ligase complex coordinately ubiquitinate Rheb and the role of these
ubiquitin ligases in the regulation of mTORC1 activity, de novo pyrimidine synthesis, and cell growth
control. The specific aims of our proposed studies are to: investigate whether and how these ubiquitin
ligases coordinately ubiquitinate Rheb to form catalytically competent Rheb multimers to stimulate
mTORC1 activity (Aim1); to determine the roles and mechanisms of this Ub-Rheb-mTORC1-dependent
signal amplification for specific downstream pathways such as de novo pyrimidine synthesis (Aim2);
study the physiological relevance of this HUWE1/CUL3-Ub Rhab-mTORC1-CAD pathway in the
regulation of cancer cell proliferation and tissue homeostasis such as liver and glomerular epithelial
cells (Aim3). The proposed studies will provide previously unappreciated molecular mechanisms for
mTORC1 activation and insight into the understanding Ub-Rheb-centered membraneless compartment
for amplifying mTORC1-dependent signals for cell growth/proliferation control.
项目概要/摘要
mTORC1 是细胞生长/增殖的主控制器,通过调节重要的细胞合成代谢
过程,包括蛋白质、脂质和核苷酸的合成。对于 mTORC1 激活,而氨基酸
通过 Rag 小 GTPases (Rags) 激活、生长,将 mTORC1 募集至溶酶体膜
因子通过激活 Rheb 小 GTP 酶(一种直接的酶)在溶酶体上执行 mTORC1 激活
mTORC1 激活剂。然而,溶酶体 mTORC1 招募的分子机制
活性 Rags 在溶酶体上发现并与 Rheb 相互作用尚未得到很好的了解。我们
最近报道,氨基酸刺激增加了多泛素化 Rheb (Ub-Rheb) 水平,
与不含泛素的 Rheb 形成异多聚体,并对 mTORC1 显示出强烈的结合偏好,
从而支持溶酶体上的 mTORC1 激活(Yao 等人,Mol Cell,2020)。我们确定
Ataxin3 是一种关键的溶酶体 Ub-Rheb 去泛素酶,其溶酶体定位可通过以下因素减轻:
氨基酸诱导的活性Rags。我们假设泛素依赖的高阶组装
Rheb 可能会增加其在溶酶体膜上的密度,并有助于隔离 mTORC1 及其
用于激活的效应器。然而,Rheb 的泛素连接酶可产生 Rheb 多泛素化
并支持mTORC1激活,尚未确定。使用 Ub-Rheb 相互作用蛋白质组学和
在溶酶体蛋白质组数据库中,我们发现 HUWE1 和 Cullin3 泛素连接酶
复合物与 Rheb 相互作用并正向调节细胞 mTORC1 活性而不影响 Akt
活动。我们的初步数据表明,Rheb 需要 HUWE1 才能与 mTORC1 相互作用
CAD,一种嘧啶从头合成的关键酶,其活性受到 Rheb 和
mTORC1-S6K1 通路。在本提案中,我们将研究其分子机制
HUWE1 和 CUL3 泛素连接酶复合物协同泛素化 Rheb 及其作用
泛素连接酶在调节 mTORC1 活性、嘧啶从头合成和细胞生长中的作用
控制。我们提出的研究的具体目的是:调查这些泛素是否以及如何
连接酶协同泛素化 Rheb,形成具有催化能力的 Rheb 多聚体,从而刺激
mTORC1 活性(Aim1);确定这种 Ub-Rheb-mTORC1 依赖性的作用和机制
特定下游途径的信号放大,例如嘧啶从头合成 (Aim2);
研究 HUWE1/CUL3-Ub Rhab-mTORC1-CAD 通路在
调节癌细胞增殖和组织稳态,例如肝脏和肾小球上皮
细胞(目标3)。拟议的研究将提供以前未被重视的分子机制
mTORC1 激活和深入了解以 Ub-Rheb 为中心的无膜室
用于放大 mTORC1 依赖性信号以控制细胞生长/增殖。
项目成果
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