mTORC1（Mammalian target of rapamycin complex 1）作为细胞物质能量代谢的中央枢纽，能够感知环境中营养物质的含量并调节细胞代谢。生长因子和氨基酸对于mTORC1信号通路的调控是目前研究中最为系统的，也是倍受关注的。除此之外，其他营养物质如脂质、核酸等也陆续被报道能够影响 mTORC1 活化。葡萄糖作为细胞最重要的物质能量来源，感知细胞内葡萄糖水平的变动并做出适应的调整对于细胞精确调控自身代谢进程，维持细胞稳态具有重要意义，近年来研究发现葡萄糖下游代谢产物如G3P、FBP、DHAP等均会参与mTORC1的活化。O-GlcNAc（O-link β-N-acetylglucosamine）糖基化修饰是细胞内的一种特殊的O-连接的单糖基化修饰类型：它广泛地发生在细胞质和细胞核中，利用己糖胺生物合成途径（Hexosamine biosynthesis pathway, HBP）的终末端产物UDP-GlcNAc为糖供体，该修饰由一对酶 OGT/OGA可逆地催化该修饰的动态平衡。近些年来，研究发现O-GlcNAc糖基化修饰可以快速响应营养物质的改变和各种形式的细胞应激（如热休克、缺氧等），因此O-GlcNAc 糖基化修饰也被广泛地认为是营养物质和环境压力的传感器。2023年8月3日, 北京大学未来技术学院刘颖课题组与北京大学化学与分子工程学院陈兴课题组合作，在Molecular Cell杂志在线发表了题为O-GlcNAcylation of Raptor transduces glucose signals to mTORC1的研究论文，报道了葡萄糖通过调控mTORC1的核心组分Raptor蛋白的700位苏氨酸上的O-GlcNAc糖基化修饰，影响Raptor与Rag GTPase的互作以调控mTORC1溶酶体定位，进而参与mTORC1活化过程。
研究发现，在葡萄糖饥饿条件下，低浓度的葡萄糖胺（glucosamine，GlcN) 可以在短时间内以一种不依赖于AMPK的方式激活mTORC1。通过代谢物分析，GlcN的回补并不会上调已知参与调节葡萄糖介导的mTORC1激活的糖酵解中间代谢物（如G3P、FBP、DHAP和或ATP/AMP raito等），只有UDP-GlcNAc发生显著上调。随后，研究人员进一步利用一系列生化手段证明O-GlcNAc糖基化修饰参与调控mTORC1活化。为了寻找mTORC1信号通路中响应葡萄糖水平变化的O-GlcNAc修饰底物，作者利用含有稳定同位素的光切探针分别对葡萄糖充足或缺失的HEK293T细胞中的O-GlcNAc修饰进行了标记（Isotopic photocleavable tagging for O-GlcNAc profiling, isoPTOP），实现了基于位点层面的O-GlcNAc修饰全局鉴定和定量。组学结果显示Raptor（691aa-709aa）肽段的O-GlcNAc修饰水平在葡萄糖饥饿后发生显著下降。随后，研究人员通过一系列生化手段证明Raptor的T700位点存在糖基化修饰，且该位点的修饰响应葡萄糖水平变化。
进一步，研究人员通过一系列体外结合实验和细胞实验，证明了发生在Raptor T700位的O-GlcNAc修饰调控Raptor-Rag互作，进而调控mTOR溶酶体定位。有趣的是，作者还探讨了Raptor磷酸化修饰与糖基化修饰之间的相互串扰，证明了由AMPK介导的Raptor磷酸化修饰在调控mTORC1活化的过程中处于糖基化的上游，并且拮抗糖基化的发生。mTORC1信号通路对细胞的生长、代谢、自噬、凋亡等生物学过程均发挥着重要的调节作用8。实验证明，RaptorT700A knock-in 细胞相较于野生型细胞，mTORC1活性明显降低，且细胞形态更小、细胞增殖受抑制。此外，通过给RaptorT700A knock-in 细胞回补GlcN，作者发现，GlcN对于mTORC1的激活在Raptor T700位突变的细胞中几乎完全被抑制，证明了GlcN介导的mTORC1的活化主要由Raptor T700位的糖基化所调控。综上，研究人员发现了Raptor作为mTORC1复合物核心组分，其O-GlcNAc修饰作为细胞营养物质的感受器在感知葡萄糖水平上发挥了重要生物学功能，并详细解析了其传递葡萄糖信号至mTORC1的分子机制。通过对RaptorT700A knock-in细胞相关功能的检测，证明了该机制对于细胞生长、增殖的重要作用。这一发现将HBP途径，O-GlcNAc修饰及mTORC1的葡萄糖感知相结合，为细胞精确调控物质能量代谢提供了一个新的视角。
AMPK介导的Raptor磷酸化和O-GlcNAc糖基化协同调控葡萄糖介导的mTORC1活化并控制细胞生长和增殖的模式图北京大学刘颖教授与陈兴教授为本文通讯作者，北京大学未来技术学院博士生徐晨晨和北京大学前沿交叉学科研究院博士生潘晓青为本研究共同第一作者，北京大学汪冬博士、博士生管媛媛、元培学院本科生杨文予均对本工作做出重要贡献。
本文作者：PXQ 本文编辑：LYC
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.07.011
DOI：10.1016/j.molcel.2023.07.011
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