近日，EON体育4平台、微生物代謝國家重點實驗室的吳更教授團隊采用蛋白質結構預測與蛋白質改造設計相結合的方法，基於天然的人結節性硬化症蛋白質復合物tuberous sclerosis complex（簡稱TSC），改造設計了一種有著與TSC相當甚至更強的抑製Rheb與mTORC1活性⚽️、但是大小只有TSC復合物的十五分之一與九分之一的兩種蛋白👨🏿‍🎤。論文發表在Protein Science上。

mTOR信號通路是真核生物中一種重要的信號傳導通路，在從酵母到人類等多種生物中調節細胞生長和代謝⛹🏻‍♂️。結節性硬化症復合物TSC是mTOR信號通路中的主要負調控因子👾，通過促進小GTPase蛋白Rheb上的GTP水解為GDP，來抑製Rheb對mTOR的激活，從而抑製細胞增殖🚶🏻‍♂️，促進細胞自噬等分解代謝過程👞🐙。TSC復合物由2分子TSC1亞基、2分子TSC2亞基、1或2分子TBC1D7亞基組成，分子量約700 kDa。文獻表明抑製mTOR信號通路具有治療癌症或延長壽命的前景🥒🙎🏻‍♀️。

該研究首先采用AlphaFold2方法得到了TSC復合物與Rheb的復合物預測結構🤹🏼‍♀️。通過對該團隊前期解析的TSC復合物電鏡結構（2020👩‍🦲，Journal of Molecular Biology）以及該研究得到的TSC-Rheb復合物預測結構的深入分析，發現TSC2的穩定化結構域在TSC2的GAP結構域對Rheb的結合中起到了非常重要的穩定作用。基於這個發現，該研究改造設計了一個可以負調控Rheb與mTOR的人造蛋白，包括TSC2的穩定化結構域的縮短版本（將連接穩定化結構域的三個區段的兩個長loops換為人工設計的短loops）、TSC2的GAP結構域和一個膜定位序列，將其稱為Short Stabilization domain-GAP domain-Membrane Targeting Motif （簡稱SSG-MTM）🤘🏼。與TSC復合物相比，SSG-MTM蛋白大大縮小👴🏿🏟，只有48 kDa，約是TSC復合物分子量的十五分之一🚟，表現出比TSC復合物更強的穩定性。在體外GAP活性實驗🗓、細胞水平的mTOR活性實驗、細胞自噬實驗、細胞分解代謝實驗中，SSG-MTM均表現出比全長TSC復合物同樣或更強的促進Rheb上GTP水解為GDP的活性⛹🏼‍♀️、對mTOR激酶活性的抑製、促進細胞自噬與分解代謝的活性💆🏼🚣‍♀️。該研究改造設計的另一個蛋白SSG-TSC1N（采用TSC1蛋白的N端結構域來代替膜定位序列MTM，大小為77 kDa👩‍🔧👩‍🦽‍➡️，約為TSC復合物分子量的九分之一）也具有類似的性質🦐。

總的來說📁，該研究通過（1）對TSC蛋白復合物冷凍電鏡結構以及其與Rheb的復合物預測結構的分析，揭示了TSC復合物識別其底物蛋白Rheb的機製；（2）在此基礎上🏄，改造設計了一個只有天然人TSC復合物的十五分之一與九分之一大小、然而仍具有與TSC復合物相當甚至更強的抑製mTOR通路活性的兩種蛋白。改造設計的這些mTOR信號通路拮抗蛋白為進一步開發以mTOR為靶標的抗腫瘤或延長壽命的蛋白藥物奠定了基礎🎴。

該研究成果以“Design of negative-regulating proteins of Rheb/mTORC1 with much reduced sizes of the tuberous sclerosis protein complex”為題發表在《Protein Science》期刊上🧚🏽‍♀️。吳更教授為通訊作者，付文誠為第一作者。該論文是吳更課題組繼腫瘤抑製蛋白APC與Asef的復合物（2012，Cell Research）、腫瘤抑製蛋白Sufu與Gli1的復合物（2013⛔️，Nature Communications）📽、APC與Amer1的復合物（2015，Cell Discovery）🩺、TSC復合物中兩個亞基TSC1與TBC1D7的亞復合物（2016💮，Journal of Molecular Cell Biology）、mTOR通路中的CASTOR1與精氨酸的復合物（2016，Cell Discovery）、腫瘤抑製蛋白MOB1與Ndr2的復合物（2017🚣🏼‍♀️，Nature Communications）、mTOR通路中的Ragulator復合物（2017，Cell Discovery）♣︎，人全長TSC復合物的冷凍電鏡結構（2020，Journal of Molecular Biology）之後🍑，在癌症相關蛋白領域的又一工作。

圖1.該研究所改造設計的SSG-MTM蛋白與Rheb蛋白的復合物預測結構🍿。MTM為Rheb來源的結合在溶酶體膜上的膜定位序列🧑‍🎨。SSG-MTM蛋白只有天然TSC復合物的十五分之一大小