BackgroundThe mammalian target of rapamycin (mTOR) is a Ser/Thr kinase that controls cell growth in response to mitogens, as well as amino acid and energy sufficiency. The scaffolding protein Raptor binds to mTOR and recruits substrates to the rapamycin-sensitive mTOR complex 1 (mTORC1). Although Raptor has been shown to be essential for mTORC1 activity, the mechanisms regulating Raptor function remain unknown.ResultsHere, we demonstrate that Raptor becomes highly phosphorylated on RXRXXpS/T consensus motifs after activation of the Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway. Using pharmacological inhibitors and RNA interference, we show that the p90 ribosomal S6 kinases (RSKs) 1 and 2 are required for Raptor phosphorylation in vivo and directly phosphorylate Raptor in vitro. Quantitative mass spectrometry and site-directed mutagenesis revealed that RSK specifically phosphorylates Raptor within an evolutionarily conserved region with no previously known function. Interestingly, expression of oncogenic forms of Ras and MEK that elevate mTORC1 activity induced strong and constitutive phosphorylation of Raptor on these residues. Importantly, we demonstrate that expression of Raptor mutants lacking RSK-dependent phosphorylation sites markedly reduced mTOR phosphotransferase activity, indicating that RSK-mediated phosphorylation of Raptor is important for mTORC1 activation by the Ras/MAPK pathway.ConclusionsWe propose a unique mode of mTOR regulation in which RSK-mediated phosphorylation of Raptor regulates mTORC1 activity and thus suggest a means by which the Ras/MAPK pathway might promote rapamycin-sensitive signaling independently of the PI3K/Akt pathway.

The mammalian target of rapamycin (mTOR) promotes cell growth and proliferation by promoting mRNA translation and increasing the protein synthetic capacity of the cell. Although mTOR globally promotes translation by regulating the mRNA 5' cap-binding protein eIF4E (eukaryotic initiation factor 4E), it also preferentially regulates the translation of certain classes of mRNA via unclear mechanisms. To help fill this gap in knowledge, we performed a quantitative proteomic screen to identify proteins that associate with the mRNA 5' cap in an mTOR-dependent manner. Using this approach, we identified many potential regulatory factors, including the putative RNA-binding protein LARP1 (La-related protein 1). Our results indicate that LARP1 associates with actively translating ribosomes via PABP and that LARP1 stimulates the translation of mRNAs containing a 5' terminal oligopyrimidine (TOP) motif, encoding for components of the translational machinery. We found that LARP1 associates with the mTOR complex 1 (mTORC1) and is required for global protein synthesis as well as cell growth and proliferation. Together, these data reveal important molecular mechanisms involved in TOP mRNA translation and implicate LARP1 as an important regulator of cell growth and proliferation.

The diversity of MTOR-regulated mRNA translation remains unresolved. Whereas ribosome-profiling suggested that MTOR almost exclusively stimulates translation of the TOP (terminal oligopyrimidine motif) and TOP-like mRNAs, polysome-profiling indicated that MTOR also modulates translation of mRNAs without the 5′ TOP motif (non-TOP mRNAs). We demonstrate that in ribosome-profiling studies, detection of MTOR-dependent changes in non-TOP mRNA translation was obscured by low sensitivity and methodology biases. Transcription start site profiling using nano-cap analysis of gene expression (nanoCAGE) revealed that not only do many MTOR-sensitive mRNAs lack the 5′ TOP motif but that 5′ UTR features distinguish two functionally and translationally distinct subsets of MTOR-sensitive mRNAs: (1) mRNAs with short 5′ UTRs enriched for mitochondrial functions, which require EIF4E but are less EIF4A1-sensitive; and (2) long 5′ UTR mRNAs encoding proliferation- and survival-promoting proteins, which are both EIF4E- and EIF4A1-sensitive. Selective inhibition of translation of mRNAs harboring long 5′ UTRs via EIF4A1 suppression leads to sustained expression of proteins involved in respiration but concomitant loss of those protecting mitochondrial structural integrity, resulting in apoptosis. Conversely, simultaneous suppression of translation of both long and short 5′ UTR mRNAs by MTOR inhibitors results in metabolic dormancy and a predominantly cytostatic effect. Thus, 5′ UTR features define different modes of MTOR-sensitive translation of functionally distinct subsets of mRNAs, which may explain the diverse impact of MTOR and EIF4A inhibitors on neoplastic cells.

ABSTRACT mRNA translation plays an evolutionarily conserved role in homeostasis and when dysregulated results in various disorders. Optimal and universally applicable analytical methods to study transcriptome-wide changes in translational efficiency are therefore critical for understanding the complex role of translation regulation under physiological and pathological conditions. Techniques used to interrogate translatomes, including polysome- and ribosome-profiling, require adjustment for changes in total mRNA levels to capture bona fide alterations in translational efficiency. Herein, we present the anota2seq algorithm for such analysis using data from ribosome- or polysome-profiling quantified by DNA-microarrays or RNA sequencing, which outperforms current methods for identification of changes in translational efficiency. In contrast to available analytical methods, anota2seq also allows capture of an underappreciated mode for regulation of gene expression whereby translation acts as a buffering mechanism which maintains constant protein levels despite fluctuations in mRNA levels (“translational buffering”). Application of anota2seq shows that insulin affects gene expression at multiple levels, in a largely mTOR-dependent manner. Moreover, insulin induces levels of a subset of mRNAs independently of mTOR that undergo translational buffering upon mTOR inhibition. Thus, the universal anota2seq algorithm allows efficient and hitherto unprecedented interrogation of translatomes and enables studies of translational buffering which represents an unexplored mechanism for regulating of gene expression.

Abstract Cancer cells rely on mitochondria for their bioenergetic supply and macromolecule synthesis. Central to mitochondrial function is the regulation of mitochondrial protein synthesis, which primarily depends on the cytoplasmic translation of nuclear-encoded mitochondrial mRNAs whose protein products are imported into mitochondria. Despite the growing evidence that mitochondrial protein synthesis contributes to the onset and progression of cancer, and can thus offer new opportunities for cancer therapy, knowledge of the underlying molecular mechanisms remains limited. Here, we show that RNA G-quadruplexes (RG4s) regulate mitochondrial function by modulating cytoplasmic mRNA translation of nuclear-encoded mitochondrial proteins. Our data support a model whereby the RG4 folding dynamics, under the control of oncogenic signaling and modulated by small molecule ligands or RG4-binding proteins, modifies mitochondria-localized cytoplasmic protein synthesis. Ultimately, this impairs mitochondrial functions, affecting energy metabolism and consequently cancer cell proliferation.

There is heightened interest to devise therapies that target the oncometabolome. We show that kinase inhibitors (KIs) and biguanides synergistically target melanoma, leukemia, and breast, colon and renal cancer cells, but not non-transformed cells. Metabolic profiling confirmed opposing effects of KIs and biguanides on glycolysis, but this was insufficient to explain the observed synergy between the drugs. Rather, we define a critical role for the synthesis of non-essential amino acids (NEAA) aspartate, asparagine and serine as well as reductive glutamine metabolism, in determining the sensitivity of cancer cells to KI - biguanide combinations. The mTORC1/4E-BP axis regulates aspartate, asparagine and serine synthesis by modulating translation of mRNAs encoding PC, ASNS, PHGDH and PSAT1. Ablation of 4E-BP1 and 2 results in a dramatic increase in serine, aspartate and asparagine levels and a substantial decrease in sensitivity of breast cancer and melanoma cells to KI - biguanide combinations. In turn, efficacy of KI - biguanide combinations is impeded by HIF1α and sustained reductive glutamine metabolism. These findings identify hitherto unappreciated translational reprograming of NEAA synthesis and HIF1α-dependent stimulation of reductive glutamine metabolism as critical metabolic vulnerabilities of cancer that underpin synergy between KIs and biguanides.