【原】曾被认为相同的两种托阿复合体是通过预测具有不同作用的复合体的结构并合理改造而发现的

2024.03.01 曾被认为相同的两种托阿复合体是通过预测具有不同作用的复合体的结构并合理改造而发现的 自然科学研究机构分子科学研究所 自然科学研究机构基础生物学研究所 自然科学研究机构生命创建探索中心 综合研究研究生院大学 长滨生物大学 【发表要点】 对于细胞对环境的响应和寿命至关重要的出芽酵母的2种tor复合体，用以前的方法无法调查差异，被认为具有相同的功能。 通过活用计算机的结构预测，合理改造蛋白质，制造出了只具有一方酵母复合体的出芽酵母，成功地识别了功能上的差异。 该研究通过精密改变蛋白质功能提供了更详细地调查细胞行为的方法，加深了对细胞信号传递的理解，将来有望成为疾病治疗和寿命延长的新方法。 【概要】 自然科学研究机构分子科学研究所/生命创成探究中心( ExCELLS ) /综合研究研究生院大学的小杉贵洋助教、自然科学研究机构基础生物学研究所/综合研究研究生院大学的镰田芳彰助教、大坪瑶子研究员(现:东京大学生命科学网)、山下朗兼任副教授(现:东京大学研究生院综合文化研究科) 与长滨生物大学的梅田知晴研究生、向由起夫教授、名古屋大学的大冢北斗助教等共同明确了通过改造出芽酵母的tore复合体，此前被认为具有相同功能的2种tore复合体具有不同的作用。 本研究的成果于2024年2月28日在“Journal of Cell Science”上公开。 【研究背景】 生物体内存在许多蛋白质复合物，它们是由多种蛋白质聚集在一起会合而成的，起着重要的作用。 一般来说，即使含有共同的蛋白质，其他构成蛋白质发生变化时，蛋白质复合体的功能也会发生变化。 生物通过巧妙利用组成蛋白质组合不同的复合体，控制着生物体内复杂的系统。 Target of Rapamycin (TOR，tor )复合体(1)是细胞响应环境不可缺少且与细胞寿命相关的蛋白质复合体，也存在TORC1和TORC2组成蛋白组合不同的复合体状态，它们具有不同的功能 此外，分裂酵母和哺乳动物只有一种TORC1，但已知出芽酵母(2)中有构成蛋白质不同的两种TORC1 (图1 )。 但是，由于到目前为止还没有调查出芽酵母两种TORC1差异的手段，因此，它们是否存在功能上的差异尚未明确。 尽管如此，这两种TORC1一直以来都被认为具有相同的功能。 近年来，预测蛋白质结构的技术和合理改造蛋白质的技术迅速发展。 我们认为，通过在计算机上构建托阿复合体的预测结构模型，并基于此合理地进行蛋白质的改变，或许可以进行改造，使出芽酵母的2个TORC1中只有一个无法形成。 然后，利用其改造TORC1，通过产生2种TORC1中各有一种的酵母，可以明确2种TORC1是相同还是不同，如果不同的话又有怎样的不同，进行了研究(图1 )。图1 .改造托阿复合体，看看两个复合体相同还是不同 【研究成果】 出芽酵母有两种TOR激酶(3):Tor1和Tor2，Tor1和Tor2都可以与Kog1等构成蛋白质结合成为TORC1，只有Tor2可以与Avo3等构成蛋白质结合成为TORC2。 也就是说，TORC1中存在来自Tor1的和来自Tor2的。 通过缺失Tor1的基因(4)，可以只消除来自Tor1的TORC1，来自Tor1的TORC1的作用得到了研究。 特别是，众所周知，通过消除来自Tor1的TORC1，可以延长细胞的寿命，TORC1作为研究寿命的目标，一直被积极地进行着研究。 另一方面，只要TORC1和TORC2中的某一个不起作用，酵母就会死亡，因此缺少了TORC2消失的Tor2基因的酵母就不能生长。 结果，没能制造出只含有来自Tor2的TORC1的酵母，关于来自Tor2的TORC1还没有被调查。 尽管如此，由于其他构成蛋白质相同的理由，来自Tor1的TORC1和来自Tor2的TORC1一直被认为起着相同的作用。 研究小组在计算机上建立出芽酵母仓复合体的预测结构模型，根据这些预测结构合理改变Tor2，在维持TORC2形成能力的情况下，成功制造出了不具有TORC1形成能力的改造Tor2。 具体而言，以人的托阿复合体的低温电镜结构为基础，建立了来自Tor2的TORC1和TORC2的模型结构。 然后，将各自所含的Tor2在TORC1中与Kog1接触、在TORC2中不与Avo3接触的部分作为设计部位(图2 )。 然后，把这里的几个氨基酸变成更大的东西，改造了Tor2，使得在TORC1中复合体会破坏，但在TORC2中没有影响。 到目前为止，虽然无法制造出只含有来自Tor2的TORC1的细胞，但通过这一新制造的改造Tor2，成功制造出了具有来自Tor1的TORC1，但只含有来自Tor2的TORC1的细胞。 结果，通过比较不具有来自Tor1的TORC1的细胞和不具有来自Tor2的TORC1的细胞，可以比较来自Tor1的TORC1和来自Tor2的TORC1的作用。图2 .通过在计算机上建立和改造结构模型，使其中一个复合体无法形成 实际上，当我们比较它们时，令人惊讶的是两个TORC1具有不同的作用(图3 )。 研究表明，由于细胞对TORC1抑制剂( rapamycin )的敏感性和pH环境的不同，细胞的生长甚至细胞的寿命也不同。 这些结果表明，对于各种细胞的功能，两个TORC1起着不同的作用。 而且，此次明确的特征还表明，来自Tor1的TORC1与其他生物种类中只存在一种的TORC1的作用相同，也就是说，来自Tor2的TORC1是出芽酵母特有的。图3 .改造Tor2株和tor1缺失株在各方面有所不同 【今后的展开这项研究的社会意义】 本研究表明基于预测结构模型改造蛋白质可以为细胞生物学的研究做出贡献。 近年来，随着使用机器学习的高精度蛋白质结构预测程序的出现，据说可以轻松得到可靠性高的蛋白质结构。 今后将越来越多类似方法的研究，希望蛋白质结构预测及蛋白质合理改造技术对生物学研究有所帮助。 利用基于预测结构模型的蛋白质改造技术的本研究显示，出芽酵母的两个TORC1起着不同的作用。 此次分析的出芽酵母具有2种TORC1，但也存在很多包括人在内的哺乳类等只有1种TORC1的生物种类。 关于TORC1的分子进化，尚存在许多谜团，但本研究对解开该谜团也具有重大意义。 出芽酵母的Tor2既可以是TORC1，也可以是TORC2，因此可以认为原本就存在与Tor2对应的物质，在进化过程中后来出现了只有TORC1的Tor1。 然而，此次结果显示，来自Tor2的TORC1是出芽酵母特有的。 这将提供TORC1是如何进化的新信息，可以认为这个结果在今后研究分子进化时非常有用(图4 )。 关于寿命，来自Tor1的TORC1也与人类等的TORC1起着相同的作用，表明来自Tor2的TORC1对寿命没有很大的影响。 今后，如果能更详细地调查这两个酵母的TORC1的功能，控制它们的功能平衡，就有可能控制寿命。 并且，可以认为通过发展本研究，也可以对人类的寿命研究做出贡献。 通过在人类中制造与分裂酵母和包括人类在内的哺乳类中不存在的来自出芽酵母Tor2的TORC1具有同样作用的东西，也有可能实现寿命的延长(图4 )。图4 .有助于研究进化和寿命 【用语解说】 (1)托阿( TOR，Target of Rapamycin )复合体 转导子是真核生物中高度保守的Ser/Thr蛋白激酶(磷酸化酶)，与几种蛋白质形成两种独立的转导子复合体1，2 ( to rc1，TORC2 )。 是细胞对环境响应不可缺少的，也与细胞寿命有关。 (2)出芽酵母 出芽酵母是研究室常用的一种微生物。 与膨胀面包的酵母是同一种类，被称为“出芽”，通过细胞膨胀制造小突起的方法制造新细胞。 作为理解生物学基本机制的模型生物受到重视。 (3)激酶 激酶是细胞功能调节中重要的酶(蛋白质)的一种。 激酶通过向目标蛋白质加成磷酸，可以像“开关”的开关一样控制蛋白质的活性。 磷酸化是调控蛋白质活性的重要手段，激酶在许多生命现象的调控中起着核心作用。 (4)缺失基因 故意丧失特定基因功能的方法。 通过这种方法，可以明确其基因在生物体内起着什么作用，有助于疾病的研究和治疗方法的开发。【论文信息】 刊登杂志: Journal of Cell Science 论文标题: 结构- based engineering of tor complexes reveals that two types of yeast to rc1 produce distinct phenotypes (研究表明，通过改造托氏复合体，酵母的2种TORC1产生了不同的表现型) 作者: Yoshiaki Kamada*，Chiharu Umeda，Yukio Mukai，Hokuto Ohtsuka，Yoko Otsubo，Akira Yamashita，and Takahiro Kosugi* 刊登日期: 2024年2月28日(网上公开) doi:https:///10.1242/jcs.261625 【研究小组】 自然科学研究机构分子科学研究所 自然科学研究机构生命创建探索中心( ExCELLS ) 综合研究研究生院大学 自然科学研究机构基础生物学研究所 长滨生物大学 名古屋大学 【研究支持】 本研究由大学共同利用机关法人自然科学研究机构年轻研究者进行的领域间合作研究项目( 01312108 )、大学共同利用机关法人自然科学研究机构领域融合型共同研究事业( 01112205 )、JST战略性创造研究推进事业先驱( JPMJPR20E6 )、科学研究费补助金( jp21k 000 ) 【研究相关咨询方式】 小杉贵洋 自然科学研究机构分子科学研究所/生命创建探究中心/综合研究研究生院大学，助教 TEL:[phone] e-mail:takahiro kosugi @ IMS.AC.jp 镰田芳彰 自然科学研究机构基础生物学研究所/综合研究研究生院大学，助教 TEL:[phone] E-mail:[e-mail] 【新闻负责人】 自然科学研究机构分子科学研究所研究力强化战略室宣传担当 tel:[phone]传真: [phone] E-mail:[e-mail] 自然科学研究机构基础生物学研究所宣传室 tel:[phone]传真: [phone] E-mail:[e-mail] 自然科学研究机构生命创建探索中心研究战略室 tel:[phone]传真: [phone] e-mail:press @ excells.Orion.AC.jp 综合研究研究生院大学综合企划课宣传社会协作系 TEL:[phone] E-mail:[e-mail] 长滨生物大学任务办公室宣传担当 tel:[phone]传真: [phone] e-mail:kou Hou @ naga HAMA-I-bio.AC.jp