mTORC1 (Mammalian target of rapamycin complex 1) 是细胞合成代谢的调控中枢，能够感知环境中营养物质的含量并调节细胞代谢[1]。mTORC1的异常活化常常与癌症、糖尿病以及神经退行性疾病的发生发展息息相关，因而其调控机制受到广泛关注[2]。葡萄糖作为生物体的主要供能物质，其下游代谢物G3P、FBP、DHAP等都曾被报道与mTORC1活化相关[3-6]。

    O-GlcNAc糖基化修饰是一种重要的翻译后修饰（PTM），由O-GlcNAc糖基转移酶（O-GlcNAc transferase，OGT）将单个N-乙酰葡萄糖胺以O-连接糖苷键的形式与蛋白丝氨酸/苏氨酸上的羟基相连，O-GlcNAc糖苷酶（O-GlcNAcase，OGA）则负责清除这种修饰[7]。O-GlcNAc糖基化修饰的糖基供体UDP-GlcNAc，来自于己糖胺生物合成途径（Hexosamine biosynthesis pathway, HBP），由葡萄糖、乙酰辅酶A、谷氨酰胺和UTP等作为上游代谢物[8]。作为一种在细胞中动态可逆的修饰，O-GlcNAc糖基化被认为是一种营养物质和环境压力的传感器（Sensor），参与多种信号通路的调控，并与肿瘤、糖尿病、心血管和神经退行性疾病等多种疾病密切相关[9]。

    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的活化过程。

    研究人员发现在葡萄糖饥饿条件下，低浓度的葡萄糖胺（glucosamine，GlcN) 在短时间内激活mTORC1，且这一过程不依赖于AMPK的活化。进一步研究发现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ATP/AMP ratio等，只有UDP-GlcNAc显著上调。利用一系列生化手段，研究人员证明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糖基化修饰底物,研究人员利用含有稳定同位素的光切探针对葡萄糖充足或缺失的HEK293T细胞中的O-GlcNAc修饰进行了同位素标记（Isotopic photocleavable tagging for O-GlcNAc profiling, isoPTOP），从而实现了O-GlcNAc糖基化位点的定量组学分析。实验发现，Raptor蛋白 691-709aa肽段上的O-GlcNAc修饰水平在葡萄糖缺失情况下发生显著下降。研究人员进一步在细胞水平利用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。

    作为mTORC1复合物的核心蛋白，Raptor主要发挥两大功能：1）帮助mTOR识别底物，2）与Rag GTPase互作，进而帮助mTORC1复合物定位至溶酶体上。前者是mTORC1发挥功能的重要前提，后者是mTORC1活化的必要条件。利用CRISCPR/Cas9技术，研究人员成功构建了Raptor^T700A knock-in 细胞系，在体外实验以及细胞系水平均证明了发生在Raptor T700位的糖基化修饰调控Raptor-Rag相互作用，进而调控mTOR溶酶体定位。此外，研究人员也探讨了Raptor作为AMPK的底物，其磷酸化修饰与糖基化修饰之间的相互串扰（Crosstalk），证明Raptor的磷酸化修饰在调控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信号通路失调对于细胞的生长、增殖有着重要影响。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，研究人员发现，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。

    综上所述，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（图1）。通过对Raptor^T700A 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。O-GlcNAc糖基化修饰利用葡萄糖代谢物产物UDP-GlcNAc作为原料，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。

图1. 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。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.07.011 

Highlights

•O-GlcNAcylation of Raptor modulates glucose-induced mTORC1 activation

•Glucose status regulates Raptor O-GlcNAcylation through AMPK and UDP-GlcNAc

•Raptor O-GlcNAcylation activates mTORC1 via enhancing Raptor-Rags interactions

•Raptor O-GlcNAcylation modulates cell growth and proliferation

Summary

The mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) regulates metabolism and cell growth in response to nutrient levels. Dysregulation of mTORC1 results in a broad spectrum of diseases. Glucose is the primary energy supply of cells, and therefore, glucose levels must be accurately conveyed to mTORC1 through highly responsive signaling mechanisms to control mTORC1 activity. Here, we report that glucose-induced mTORC1 activation is regulated by O-GlcNAcylation of Raptor, a core component of mTORC1, in HEK293T cells. Mechanistically, O-GlcNAcylation of Raptor at threonine 700 facilitates the interactions between Raptor and Rag GTPases and promotes the translocation of mTOR to the lysosomal surface, consequently activating mTORC1. In addition, we show that AMPK-mediated phosphorylation of Raptor suppresses Raptor O-GlcNAcylation and inhibits Raptor-Rags interactions. Our findings reveal an exquisitely controlled mechanism, which suggests how glucose coordinately regulates cellular anabolism and catabolism. 

原文链接：https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(23)00526-9 

主要参考文献：

1. Kim, J. & Guan, K.-L. mTOR as a central hub of nutrient signalling and cell growth. Nature Cell Biology 21, 63-71, doi:10.1038/s41556-018-0205-1 (2019).

2. Zoncu, R., Efeyan, A. & Sabatini, D. M. mTOR: from growth signal integration to cancer, diabetes and ageing. Nature Reviews Molecular Cell Biology 12, 21-35, doi:10.1038/nrm3025 (2010).

3. Zhang, Y.-L. et al. AMP as a Low-Energy Charge Signal Autonomously Initiates Assembly of AXIN-AMPK-LKB1 Complex for AMPK Activation. Cell Metabolism 18, 546-555, doi:10.1016/j.cmet.2013.09.005 (2013).

4. Zhang, C.-S. et al. Fructose-1,6-bisphosphate and aldolase mediate glucose sensing by AMPK. Nature 548, 112-116, doi:10.1038/nature23275 (2017).

5. Lee, M. N. et al. Glycolytic Flux Signals to mTOR through Glyceraldehyde-3-Phosphate Dehydrogenase-Mediated Regulation of Rheb. Molecular and Cellular Biology 29, 3991-4001, doi:10.1128/mcb.00165-09 (2009).

6. Orozco, J. M. et al. Dihydroxyacetone phosphate signals glucose availability to mTORC1. Nature Metabolism 2, 893-901, doi:10.1038/s42255-020-0250-5 (2020).

7. Wells, L., Vosseller, K. & Hart, G. W. Glycosylation of Nucleocytoplasmic Proteins: Signal Transduction and O-GlcNAc. Science 291, 2376-2378, doi:10.1126/science.1058714 (2001).

8. Hanover, J. A., Krause, M. W. & Love, D. C. linking metabolism to epigenetics through O-GlcNAcylation. Nature Reviews Molecular Cell Biology 13, 312-321, doi:10.1038/nrm3334 (2012).

9. Slawson, C. & Hart, G. W. O-GlcNAc signalling: implications for cancer cell biology. Nature Reviews Cancer 11, 678-684, doi:10.1038/nrc3114 (2011).