MTORC1とULK1の相互阻害に基づくオートファジー/翻訳スイッチの計算分析

（マクロ）オートファジーとタンパク質合成の調節のための機構的な計算モデルを構築しました（翻訳のレベルで）。このモデルは、次のタンパク質間の相互作用のシステムレベルの結果を研究するために策定されました。MTOR複合体1（MTORC1）の2つの重要な成分、すなわちタンパク質キナーゼmTOR（ラパマイシンの機構標的）と足場タンパク質rptor。オートファジー開始プロテインキナーゼウルク1;マルチメリックエネルギーセンシングAMP活性化プロテインキナーゼ（AMPK）。モデルの入力には、細胞エネルギーレベルまたはAMP：ATP比の調整可能な代理パラメーターとして採用されている固有のAMPKキナーゼ活性、およびMTORC1活性を制御するラパマイシン用量が含まれます。モデルの出力には、MTORC1の基質である翻訳リポッレッサーeIF4EBP1のリン酸化レベルと、AMBRA1のリン酸化レベル（BECN1調節オートファジーの分子を活性化）、オートファゴソーム形成に重要なULK1の基質が含まれます。このモデルには、AMPK、MTORC1およびULK1の相互阻害、およびULK1を介したAMPKの負のフィードバック調節により、MTORC1およびULK1の相互調節が組み込まれています。モデルの分析を通じて、これらのプロセスは、オートファジーとタンパク質合成の間の双安定スイッチング、またはオートファジーとタンパク質合成の交互の期間を含む緩和振動のために、条件に応じて、条件に応じて責任があることがわかります。感度分析は、振動挙動の予測がモデルのパラメーター値の変化に対して堅牢であることを示しています。このモデルは、細胞エネルギーと栄養恒常性の維持において中心的な役割を果たすAMPK-MTORC1-ULK1ネットワークの挙動に関するテスト可能な予測を提供します。

We constructed a mechanistic, computational model for regulation of (macro)autophagy and protein synthesis (at the level of translation). The model was formulated to study the system-level consequences of interactions among the following proteins: two key components of MTOR complex 1 (MTORC1), namely the protein kinase MTOR (mechanistic target of rapamycin) and the scaffold protein RPTOR; the autophagy-initiating protein kinase ULK1; and the multimeric energy-sensing AMP-activated protein kinase (AMPK). Inputs of the model include intrinsic AMPK kinase activity, which is taken as an adjustable surrogate parameter for cellular energy level or AMP:ATP ratio, and rapamycin dose, which controls MTORC1 activity. Outputs of the model include the phosphorylation level of the translational repressor EIF4EBP1, a substrate of MTORC1, and the phosphorylation level of AMBRA1 (activating molecule in BECN1-regulated autophagy), a substrate of ULK1 critical for autophagosome formation. The model incorporates reciprocal regulation of mTORC1 and ULK1 by AMPK, mutual inhibition of MTORC1 and ULK1, and ULK1-mediated negative feedback regulation of AMPK. Through analysis of the model, we find that these processes may be responsible, depending on conditions, for graded responses to stress inputs, for bistable switching between autophagy and protein synthesis, or relaxation oscillations, comprising alternating periods of autophagy and protein synthesis. A sensitivity analysis indicates that the prediction of oscillatory behavior is robust to changes of the parameter values of the model. The model provides testable predictions about the behavior of the AMPK-MTORC1-ULK1 network, which plays a central role in maintaining cellular energy and nutrient homeostasis.