mTORC1 is shown to regulate a translational program that requires the rapamycin-resistant 4E-BP family of translational repressors and consists almost entirely of mRNAs containing 5′ terminal oligopyrimidine or related motifs. The mTOR pathway is important in the regulation of protein synthesis and is activated in many human cancers. Two papers in this issue of Nature use ribosome profiling to study the control of messenger RNA translation by mTOR signalling. Hsieh et al. find that in prostate cancer cells and mouse prostate tumours, the translation of several genes involved in cancer invasion is regulated by mTOR by means of the 4EBP1 translational repressor. The experimental drug INK128, currently in clinical trials in people with prostate cancer, inhibits mTOR signalling and reduces the progression of prostate cancers to invasive carcinomas in a mouse model. Thoreen et al. show that through the 4E-BP protein family, the mTORC1 kinase recognizes and regulates a subset of mRNAs with an oligopyrimidine motif at the 5′ end. The mTOR complex 1 (mTORC1) kinase nucleates a pathway that promotes cell growth and proliferation and is the target of rapamycin, a drug with many clinical uses1. mTORC1 regulates messenger RNA translation, but the overall translational program is poorly defined and no unifying model exists to explain how mTORC1 differentially controls the translation of specific mRNAs. Here we use high-resolution transcriptome-scale ribosome profiling to monitor translation in mouse cells acutely treated with the mTOR inhibitor Torin 1, which, unlike rapamycin, fully inhibits mTORC1 (ref. 2). Our data reveal a surprisingly simple model of the mRNA features and mechanisms that confer mTORC1-dependent translation control. The subset of mRNAs that are specifically regulated by mTORC1 consists almost entirely of transcripts with established 5′ terminal oligopyrimidine (TOP) motifs, or, like Hsp90ab1 and Ybx1, with previously unrecognized TOP or related TOP-like motifs that we identified. We find no evidence to support proposals that mTORC1 preferentially regulates mRNAs with increased 5′ untranslated region length or complexity3. mTORC1 phosphorylates a myriad of translational regulators, but how it controls TOP mRNA translation is unknown4. Remarkably, loss of just the 4E-BP family of translational repressors, arguably the best characterized mTORC1 substrates, is sufficient to render TOP and TOP-like mRNA translation resistant to Torin 1. The 4E-BPs inhibit translation initiation by interfering with the interaction between the cap-binding protein eIF4E and eIF4G1. Loss of this interaction diminishes the capacity of eIF4E to bind TOP and TOP-like mRNAs much more than other mRNAs, explaining why mTOR inhibition selectively suppresses their translation. Our results clarify the translational program controlled by mTORC1 and identify 4E-BPs and eIF4G1 as its master effectors.

From sensing leucine to metabolic control The mTORC1 protein kinase complex plays central roles in regulating cell growth and metabolism and is implicated in common human diseases such as diabetes and cancer. The level of the amino acid leucine tells an organism a lot about its physiological state, including how much food is available, how much insulin is going to be needed, and whether new muscle mass can be made (see the Perspective by Buel and Blenis). Wolfson et al. identified a biochemical sensor of leucine, Sestrin2, which connects the concentration of leucine to the control of organismal metabolism and growth. When leucine bound to Sestrin2, it was released from a complex with the mTORC1 regulatory factor GATOR2, activating the mTORC1 complex. Saxton et al. describe the crystal structure of Sestrin2 and show how it specifically detects leucine. Aylett et al. determined the structure of human mTORC1 by cryoelectron microscopy and the crystal structure of a regulatory subunit, Raptor. The results reveal the structural basis for the function and intricate regulation of this important enzyme, which is also a strategic drug target. Science , this issue p. 43 , p. 48 , p. 53 ; see also p. 25

The mTOR complex 1 (mTORC1) pathway promotes cell growth in response to many cues, including amino acids, which act through the Rag guanosine triphosphatases (GTPases) to promote mTORC1 translocation to the lysosomal surface, its site of activation. Although progress has been made in identifying positive regulators of the Rags, it is unknown if negative factors also exist. Here, we identify GATOR as a complex that interacts with the Rags and is composed of two subcomplexes we call GATOR1 and -2. Inhibition of GATOR1 subunits (DEPDC5, Nprl2, and Nprl3) makes mTORC1 signaling resistant to amino acid deprivation. In contrast, inhibition of GATOR2 subunits (Mios, WDR24, WDR59, Seh1L, and Sec13) suppresses mTORC1 signaling, and epistasis analysis shows that GATOR2 negatively regulates DEPDC5. GATOR1 has GTPase-activating protein (GAP) activity for RagA and RagB, and its components are mutated in human cancer. In cancer cells with inactivating mutations in GATOR1, mTORC1 is hyperactive and insensitive to amino acid starvation, and such cells are hypersensitive to rapamycin, an mTORC1 inhibitor. Thus, we identify a key negative regulator of the Rag GTPases and reveal that, like other mTORC1 regulators, Rag function can be deregulated in cancer.

Sensing amino acids at the lysosome The mTORC1 protein kinase is a complex of proteins that functions to regulate growth and metabolism. Activity of mTORC1 is sensitive to the abundance of amino acids, but how the sensing of amino acids is coupled to the control of mTORC1 has been unclear. Wang et al. searched for predicted membrane proteins that interacted with regulators of mTORC1. They identified a protein currently known only as SLC38A9. Interaction of SLC38A9 with mTORC1 regulators was sensitive to the presence of amino acids. SLC38A9 has sequence similarity to amino acid transporters. Effects of modulation of SLC38A9 in cultured human cells indicate that it may be the sensor that connects the abundance of arginine and leucine to mTORC1 activity. Science , this issue p. 188

Summary

 Amino acids signal to the mTOR complex I (mTORC1) growth pathway through the Rag GTPases. Multiple distinct complexes regulate the Rags, including GATOR1, a GTPase activating protein (GAP), and GATOR2, a positive regulator of unknown molecular function. Arginine stimulation of cells activates mTORC1, but how it is sensed is not well understood. Recently, SLC38A9 was identified as a putative lysosomal arginine sensor required for arginine to activate mTORC1 but how arginine deprivation represses mTORC1 is unknown. Here, we show that CASTOR1, a previously uncharacterized protein, interacts with GATOR2 and is required for arginine deprivation to inhibit mTORC1. CASTOR1 homodimerizes and can also heterodimerize with the related protein, CASTOR2. Arginine disrupts the CASTOR1-GATOR2 complex by binding to CASTOR1 with a dissociation constant of ∼30 μM, and its arginine-binding capacity is required for arginine to activate mTORC1 in cells. Collectively, these results establish CASTOR1 as an arginine sensor for the mTORC1 pathway.

The mTORC1 kinase is a master growth regulator that senses numerous environmental cues, including amino acids. The Rag GTPases interact with mTORC1 and signal amino acid sufficiency by promoting the translocation of mTORC1 to the lysosomal surface, its site of activation. The Rags are unusual GTPases in that they function as obligate heterodimers, which consist of RagA or B bound to RagC or D. While the loading of RagA/B with GTP initiates amino acid signaling to mTORC1, the role of RagC/D is unknown. Here, we show that RagC/D is a key regulator of the interaction of mTORC1 with the Rag heterodimer and that, unexpectedly, RagC/D must be GDP bound for the interaction to occur. We identify FLCN and its binding partners, FNIP1/2, as Rag-interacting proteins with GAP activity for RagC/D, but not RagA/B. Thus, we reveal a role for RagC/D in mTORC1 activation and a molecular function for the FLCN tumor suppressor.

The mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) kinase is a major regulator of cell growth that responds to numerous environmental cues. A key input is amino acids, which act through the heterodimeric Rag GTPases (RagA or RagB bound to RagC or RagD) in order to promote the translocation of mTORC1 to the lysosomal surface, its site of activation. GATOR2 is a complex of unknown function that positively regulates mTORC1 signaling by acting upstream of or in parallel to GATOR1, which is a GTPase-activating protein (GAP) for RagA or RagB and an inhibitor of the amino-acid-sensing pathway. Here, we find that the Sestrins, a family of poorly understood growth regulators (Sestrin1–Sestrin3), interact with GATOR2 in an amino-acid-sensitive fashion. Sestrin2-mediated inhibition of mTORC1 signaling requires GATOR1 and the Rag GTPases, and the Sestrins regulate the localization of mTORC1 in response to amino acids. Thus, we identify the Sestrins as GATOR2-interacting proteins that regulate the amino-acid-sensing branch of the mTORC1 pathway.

From sensing leucine to metabolic control The mTORC1 protein kinase complex plays central roles in regulating cell growth and metabolism and is implicated in common human diseases such as diabetes and cancer. The level of the amino acid leucine tells an organism a lot about its physiological state, including how much food is available, how much insulin is going to be needed, and whether new muscle mass can be made (see the Perspective by Buel and Blenis). Wolfson et al. identified a biochemical sensor of leucine, Sestrin2, which connects the concentration of leucine to the control of organismal metabolism and growth. When leucine bound to Sestrin2, it was released from a complex with the mTORC1 regulatory factor GATOR2, activating the mTORC1 complex. Saxton et al. describe the crystal structure of Sestrin2 and show how it specifically detects leucine. Aylett et al. determined the structure of human mTORC1 by cryoelectron microscopy and the crystal structure of a regulatory subunit, Raptor. The results reveal the structural basis for the function and intricate regulation of this important enzyme, which is also a strategic drug target. Science , this issue p. 43 , p. 48 , p. 53 ; see also p. 25

Striatal dopamine and acetylcholine are essential for the selection and reinforcement of motor actions and decision-making1. In vitro studies have revealed an intrastriatal circuit in which acetylcholine, released by cholinergic interneurons (CINs), drives the release of dopamine, and dopamine, in turn, inhibits the activity of CINs through dopamine D2 receptors (D2Rs). Whether and how this circuit contributes to striatal function in vivo is largely unknown. Here, to define the role of this circuit in a living system, we monitored acetylcholine and dopamine signals in the ventrolateral striatum of mice performing a reward-based decision-making task. We establish that dopamine and acetylcholine exhibit multiphasic and anticorrelated transients that are modulated by decision history and reward outcome. Dopamine dynamics and reward encoding do not require the release of acetylcholine by CINs. However, dopamine inhibits acetylcholine transients in a D2R-dependent manner, and loss of this regulation impairs decision-making. To determine how other striatal inputs shape acetylcholine signals, we assessed the contribution of cortical and thalamic projections, and found that glutamate release from both sources is required for acetylcholine release. Altogether, we uncover a dynamic relationship between dopamine and acetylcholine during decision-making, and reveal multiple modes of CIN regulation. These findings deepen our understanding of the neurochemical basis of decision-making and behaviour.

Abstract Neurons communicate by the activity-dependent release of small-molecule neurotransmitters packaged into synaptic vesicles (SVs). Although many molecules have been identified as neurotransmitters, technical limitations have precluded a full metabolomic analysis of synaptic vesicle content. Here, we present a workflow to rapidly isolate SVs and to interrogate their metabolic contents at a high-resolution using mass spectrometry. We validated the enrichment of glutamate in SVs of primary cortical neurons using targeted polar metabolomics. Unbiased and extensive global profiling of SVs isolated from these neurons revealed that the only detectable polar metabolites they contain are the established neurotransmitters glutamate and GABA. Finally, we adapted the approach to enable quick capture of SVs directly from brain tissue and determined the neurotransmitter profiles of diverse brain regions in a cell-type specific manner. The speed, robustness, and precision of this method to interrogate SV contents will facilitate novel insights into the chemical basis of neurotransmission.