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HECT类泛素连接酶Smurf1活性调控、新功能及相关晶体结构研究

作　者: 卢克峰
导　师: 贺福初；张令强
学　校: 中国人民解放军军事医学科学院
专　业: 生物化学与分子生物学
关键词: 蛋白质泛素化泛素连接酶 HECT结构域 Smurf1 CKIP-1 晶体结构
分类号: Q55
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

泛素-蛋白酶体途径是真核细胞内最为重要的蛋白质降解系统,它通过选择性清除细胞内错误折叠的以及特定环境下需要降解的蛋白质,对维持细胞正常的生理功能发挥至关重要的作用。泛素化修饰的过程是在泛素活化酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3的顺序作用下介导泛素结合到底物蛋白,最后泛素链标记的底物蛋白被蛋白酶体识别并在其中降解。整个过程中E3决定了底物蛋白识别的特异性。E3主要分为两大类:RING类E3和HECT类E3。人们对HECT类E3的功能和活性调控认识主要来自于对Nedd4家族的研究。Nedd4家族E3在TGF-β、EGF、IGF、VEGF、SDF-1以及TNF-α等生长因子或细胞因子介导的信号通路中具有重要的调控作用。作为Nedd4家族中的一员,Smurf1是在1999年筛选Smad相互作用蛋白时被发现可以降解TGF-β/BMP通路中的信号分子Smad1/5。后来又陆续发现了Smurf1的其它底物分子如RhoA、Runx2以及磷酸化形式的MEKK2等。Smurf1基因敲除和转基因小鼠骨表型分析都证明Smurf1在动物成体骨形成中发挥重要的负调控作用,强有力提示Smurf1是一个具有重要潜在价值的增强成骨细胞功能以治疗骨病的药物靶点。但是其调控分子,特别是可以调控其E3活性的调控分子一直没有被发现。2005年Science杂志的一篇关于大规模相互作用蛋白筛选的研究报道酪蛋白激酶相互作用分子CKIP-1可能与Smurf1具有相互作用,但未做深入研究,这对相互作用的生化与生理功能均不清楚。CKIP-1首先被发现是酪蛋白激酶CK2的一个相互作用蛋白,本实验室在人胎肝转录组的研究中也曾克隆鉴定到此基因,成为国际上最早克隆此基因的实验室之一,并对其功能与调控开展了近十年的研究。基于分子和细胞水平的研究表明它在细胞凋亡、细胞分化、细胞骨架调控以及募集ATM和CK2到质膜定位中发挥作用,但是CKIP-1在动物整体水平上的体内生理功能一直不清楚。我们对Smurf1与CKIP-1的相互作用及意义进行了深入的研究。首先证实CKIP-1可以特异的与Smurf1结合进而增强其E3活性,而与同家族的其它成员都没有相互作用。CKIP-1是第一个被发现的Smurf1活性增强因子。有意思的是,CKIP-1特异结合Smurf1分子中介导底物识别的两个WW结构域之间一段仅由15个氨基酸组成的连接区,而这段连接区在Smurf1与Nedd4家族其它成员之间存在序列差异,通过这种特异的靶向作用,CKIP-1上调Smurf1的E3活性、增强Smurf1与底物的结合力、进而促进Smurf1底物的泛素化降解。这是第一次揭示Smurf1的WW结构域之间的连接区也可以介导与其它蛋白的结合并在Smurf1的活性调控中发挥非常重要的功能。这种活性调控机制不同于已经发现的HECT类型E3的调控机制,因而代表了一种全新的泛素连接酶活性调节机制。在E3研究中长期存在的一个问题是为什么序列相近的E3成员具有不同的底物特异性和调控机制。我们的精细分析表明Smurf1 WW连接区的单个氨基酸的突变即可以导致E3结合调控分子及底物选择的改变,从而解释了为什么结构相似的E3如Smurf1和Smurf2,虽然序列高度同源但底物识别有所区别以及活性调控方式不同的问题。在动物生理水平,CKIP-1基因敲除后小鼠骨量会随年龄增加而升高,成骨细胞功能增强,Smurf1的活性减弱。这不但是第一次真正阐明CKIP-1的生理功能,成为数量很少的成骨细胞功能调控成员中新的一员,更为重要的是证明CKIP-1对Smurf1的活性调控可以在生理水平发生而且对于骨形成具有重要的负调控作用,从而揭示了WW连接区介导的E3活性调控机制的真实性与重要性。CKIP-1与Smurf1的相互作用特别是介导结合的Smurf1的WW连接区成为具有重大筛选意义和应用前景的骨质疏松药物的潜在靶标。为发现更多Smurf1的调节分子和底物,我们以Smurf1的WW结构域为诱饵通过酵母双杂交技术筛选到了TRAF4为其新的相互作用蛋白。TRAF4是TRAF家族成员。TRAF家族分子作为胞内接头蛋白,可以介导NF-κB和JNK-AP1通路的信号转导,进而参与骨代谢、先天性和获得性免疫、炎症应激响应等多种生物学过程。我们证实TRAF4是Smurf1的一个新的底物分子。当扩展到其他TRAF家族成员时,我们发现Smurf1对其它TRAF分子都可以进行泛素化修饰,而且逆转它们在NF-κB通路中的作用。我们的研究把Smurf1的底物范围扩展到TRAF家族,表明Smurf1在免疫和炎症反应中也具有调控作用,从而增加了人们对Smurf1新功能的认识。Smurf1的C2结构域不但可以影响其自身泛素化,而且可以结合磷脂、从而对其定位和功能也具有重要的作用。我们对此结构域进行蛋白晶体结构解析并得到了精细的空间结构信息。Smurf1-C2由两组4个β片层形成的片层组和两端的loop组成,属于C2结构域家族中的class II类型。结构分析表明,Smurf1-C2结合磷脂的模式可能不同于PKC蛋白。对C2结构域的结构解析将有助于发现针对C2结构域并影响Smurf1整体分子功能的药物。综上,我们的研究结果第一次证明Smurf1的WW结构域之间的连接区对于E3复合体的形成及E3活性的调节发挥重要功能,并揭示了CKIP-1是第一个增强Smurf1活性的重要辅助因子,而且CKIP-1对Smurf1的这种活性增强作用在动物整体水平得到了验证。我们进一步的研究把Smurf1的底物范围扩展到TRAF家族,表明Smurf1可能通过调控TRAF家族在免疫和炎症反应中发挥作用。对影响Smurf1功能的C2结构域进行了晶体结构解析,得到了其精细的空间结构信息,有助于设计特异性的针对Smurf1的小分子药物。

全文目录

缩略语  6-7
中文摘要  7-10
Abstract  10-13
第一章前言  13-30
  第一节细胞内蛋白质的降解  13-14
  第二节泛素-蛋白酶体途径  14-16
  第三节 HECT 类泛素连接酶的结构、功能及活性调控  16-24
  第四节 TRAF 家族及其泛素化在免疫中的作用  24-27
  第五节蛋白质晶体结构解析  27-30
第二章 CKIP-1对泛素连接酶Smurf1的活性调控  30-61
  1. 研究背景  30-33
  2. 材料与方法  33-35
    2.1 质粒与试剂  33
    2.2 免疫共沉淀与Western blot  33-34
    2.3 免疫荧光  34
    2.4 GST pull-down  34
    2.5 体内泛素化  34
    2.6 体外泛素化  34-35
  3. 结果  35-53
    3.1 CKIP-1特异增强Smurf1对自身的E3活性  35-37
    3.2 CKIP-1特异增强Smurf1对底物的E3活性  37-41
    3.3 CKIP-1与Smurf1特异相互作用  41-46
    3.4 CKIP-1靶向Smurf1的WW结构域连接区，增强其与底物结合  46-53
    3.5 生理条件下CKIP-1辅助Smurf1负调控骨形成  53
  4. 小结  53-54
  5. 讨论  54-61
第三章 Smurf1促进TRAF家族分子的泛素化降解  61-70
  1. 研究背景  61
  2. 材料与方法  61-62
    2.1 质粒与试剂  61
    2.2 酵母双杂交筛选Smurf1 相互作用蛋白  61-62
    2.3 TRAF4 蛋白水平检测  62
    2.4 TRAFs 体内泛素化  62
    2.5 NF-κB 报告基因实验  62
  3. 结果  62-67
    3.1 以Smurf1 WW 区域为诱饵酵母双杂交筛选相互作用蛋白  62-63
    3.2 Smurf1 与TRAF4 相互作用  63
    3.3 Smurf1 促进TRAF4 的泛素化降解  63-64
    3.4 Smurf1 促进TRAF 家族成员的泛素化并负调控其功能  64-67
    3.5 CKIP-1 增强Smurf1 对TRAF 家族成员的泛素化降解  67
  4. 小结  67-68
  5. 讨论  68-70
第四章 CKIP-1的C-term1和Smurf1的 C2结构域晶体结构解析  70-81
  1. 研究背景  70-71
  2. 材料与方法  71-72
    2.1 质粒和菌种  71
    2.2 蛋白质纯化相关仪器耗材  71
    2.3 蛋白的试表达  71-72
    2.4 蛋白的大量表达、纯化  72
    2.5 蛋白的晶体筛选及优化  72
    2.6 C2蛋白的空间结构解析  72
  3. 结果  72-79
    3.1 CKIP-1-C-term1 蛋白纯化  72
    3.2 C-term1 蛋白的晶体筛选及优化  72-74
    3.3 缺失C2 结构域后Smurf1 的自身降解减弱  74-75
    3.4 Smurf1 C2 结构域的大量表达及分子筛纯化  75
    3.5 C2 结构域的晶体筛选及优化  75-76
    3.6 Smurf1 C2 结构域的空间结构  76-79
  4. 小结  79
  5. 讨论  79-81
参考文献  81-94
附录  94-107
  附录1 常用实验方法详细步骤  94-99
  附录2 引物用途、酶切位点、名称和序列  99-105
  附录3 主要仪器设备和主要试剂的配制  105-107
综述  107-118
个人简历以及在读期间发表的论文、所获奖励  118-119
致谢  119

HECT类泛素连接酶Smurf1活性调控、新功能及相关晶体结构研究

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