XXXXCB911000-G-蛋白质的生成、修饰与质量控制

项目名称：蛋白质的生成、修饰与质量控制首席科学家：SarahPerrett中国科学院生物物理研究所起止年限：2012.1至2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容关键科学问题：本项目的关键科学问题是：细胞如何实现对蛋白质合成、折叠、修复、降解及修饰不同环节的质量控制；在应激条件下蛋白质质量控制体系如何调控；蛋白质异常修饰对质量控制体系的影响及其相关疾病发生发展的机制等关键科学问题。重点研究蛋白质合成的精确控制机制；蛋白质折叠尤其是内质网和线粒体氧化折叠系统中关键蛋白的结构与功能及相互作用网络；分子伴侣在错误折叠蛋白的修复与降解中的作用；应激条件下质量控制体系中蛋白质的氧化还原修饰调控；蛋白质异常修饰在细胞及动物水平产生的影响。通过系统研究蛋白质质量控制体系不同环节关键蛋白的功能和相互关系，获得蛋白质质量控制分子机制的全景网络。主要研究内容：本项目深入系统研究蛋白质生物合成的质量控制、蛋白质的氧化折叠与氧化还原修饰、蛋白质错误折叠及分子伴侣的作用、蛋白质的异常修饰与疾病的关系。系统开展蛋白质质量控制关键蛋白和相互作用网络研究，分析关键蛋白质或调控因子在蛋白质质量控制过程中的功能及在生理与病理状态下的动态变化，筛选对氧化折叠和质量控制具有调控功能的小分子化合物。探索环境因素诱导的蛋白质异常修饰与认知障碍之间的关系，开发试用于老年性痴呆症临床诊断的生物标记物。1．蛋白质翻译的精确控制机制研究亮氨酰-tRNA合成酶（LeuRS）对特异氨基酸及其对应的特异tRNA之间相互识别匹配的机制；鉴定依赖和非依赖tRNA的转移前编校发生的位点；tRNA的氨基酸接受臂（aminoacidacceptorarm）在氨基酰化活性中心和编校活性中心之间的动态转位过程；tRNA关键核苷酸在氨基酰化反应、编校反应各步和蛋白质翻译起始阶段的具体作用机理；探索LeuRS中某些特定结构域的功能；肽酰-tRNA移位相关的两个因子EF-G和LepA调控下的氨基酰-tRNA正向移位与反向移位的识别条件、作用位点、信号传递途径；研究在高等生物中反向移位的生理意义。2．内质网和线粒体中蛋白质氧化折叠的分子机制研究内质网氧化折叠相关蛋白质（Ero1α、Ero1β、PDI和Prx4等）的相互作用网络。采取分子生物学、生物化学、细胞生物学和结构生物学等多种学交叉技术手段，研究Ero1活力的调节、Ero1与PDI相互作用、内质网过氧化氢的有效清除机制和阐述新的蛋白质氧化折叠分子QSOX1的功能等，获得内质网蛋白质氧化折叠调控的网络关系（Ero1-PDI，H2O2-Prx4/Gpx7/Gpx8-PDI,QSOX1）。解析线粒体Mia40-Erv1和Mia40-底物蛋白复合体的结构，解析线粒体膜间隙中血红素/铜转运蛋白和其他具有重要生物学功能的蛋白的结构，阐明线粒体的氧化折叠电子传递机制。3．蛋白质巯基的氧化还原修饰对蛋白质质量控制体系的影响发展新的巯基氧化还原修饰检测的定量蛋白质组学方法；研究内质网氧化折叠相关蛋白质（Ero1和Prx4等）的亚硝基化及谷胱甘肽化修饰的生理意义。巯基氧化还原修饰对蛋白质质量控制体系（分子伴侣、泛素-蛋白酶体系统及自噬系统）关键蛋白（Hsp70、Hsp40、泛素化E1连接酶UBA1、UBA6、E2连接酶UBA3、去泛素化酶USP5、USP10、ATG）功能的影响。筛选对氧化折叠和质量控制具有调控功能的小分子化合物。4．蛋白质错误折叠聚集的机制以几个与神经退行性疾病相关的淀粉样蛋白质（Prion、Tau、α-Synuclein、TDP-43、PolyQ蛋白）为模型和对象，综合应用生物化学、分子生物学、结构生物学和细胞生物学的先进技术方法，研究蛋白质的错误折叠、淀粉样聚集和包涵体形成的分子机制和生物效应；蛋白质翻译后修饰及大分子拥挤对蛋白质聚集的调控；蛋白质错误折叠和疾病发生的内在联系以及筛选和设计对蛋白质聚集和包涵体具有调控功能的小分子化合物。系统研究分子伴侣（Hsp70、Hsp90、Hsp104、GroEL、TriC、ERp57）和辅伴侣（CHIP、HSJ1、USP19、BAG6）在蛋白质错误折叠的发生和清除中的调节作用。5．蛋白质异常修饰与认知功能障碍建立蛋白质过度磷酸化的细胞和动物模型，即采用醛类（甲醛、核糖等）诱导细胞和动物脑内Tau、α-Synuclein等蛋白过度磷酸化；研究过度磷酸化对Tau、α-Synuclein等蛋白结构与功能的影响；探索在“醛应激”状态下的蛋白质过度磷酸化及其相关作用网络规律，如醛类与细胞的相互作用通讯网络，蛋白质质量控制体系的作用、激酶与磷酸化系统的调节、突触间联络的损伤及神经细胞死亡的机制。阐明异常修饰（过度磷酸化、非酶促糖基化等）与蛋白质错误折叠之间的关系，醛应激导致的蛋白质异常修饰与认知障碍之间的关系；在此基础上，研究内源性甲醛作为生物标记物用于老年性痴呆症临床诊断的可能性。二、预期目标总体目标：本项目围绕蛋白质的生成、修饰与质量控制这一关键科学问题，主要研究蛋白质生物合成的质量控制、蛋白质的氧化折叠与氧化还原修饰、蛋白质错误折叠及分子伴侣的作用、蛋白质的异常修饰与疾病的关系，探讨质量控制失衡与蛋白质错误折叠相关疾病发生发展的关系。通过优势集成团队的通力合作，确保项目研究高质量实施，着重建立较完善的蛋白质质量控制研究体系、取得相关前沿研究突破、揭示关键蛋白质的动态规律与功能机制、阐析蛋白质质量控制体系的作用机制和调控机制、筛选影响蛋白质质量控制的小分子化合物、获得具有国际领先和拥有自主知识产权的研究成果，促进阐明重要生命活动的基本规律和向生物医学的转化应用，为蛋白质科学领域的研究理论增添新内容，为神经退行性疾病等蛋白质错误折叠相关疾病的预防、诊治、药物开发等研究提供理论基础，同时显著提升我国蛋白质质量控制研究的水平和影响力，使我国在该领域的研究跻身于国际前列。五年预期目标：1．系统建立完善的蛋白质合成、折叠、修复、降解和修饰的蛋白质质量控制体系的体内研究平台和体外研究平台;建立和发展研究蛋白质质量控制和修饰调控的新技术新方法，为蛋白质质量控制机制研究的长期可持续发展和立足国际前沿奠定重要基础，促进蛋白质基地建设。2．在蛋白质合成的精确控制机制、氧化折叠关键蛋白的结构与功能研究及氧化折叠的网络调控、蛋白质错误折叠与聚集的机理、蛋白质质量控制的氧化还原调控机制方面取得系统研究成果和突破进展。3．阐明“醛应激”的分子细胞机制，以及内源性甲醛与老年性痴呆症认知功能障碍之间的相关性，提供临床基础研究实验数据。由此建立临床检验老年性痴呆症的生物化学方法，为将来发展成为用于临床诊断和药物使用的评价指标的新方法打下基础。4．发表论文50-80篇，其中在国际一流期刊（IF10）发表论文5-10篇、在国际有影响力期刊发表论文20-30篇。申请专利3-5项5．培养该领域战略领军人才2-3名、副教授/研究员及高级技术型人才4-6名、博士后10-15名、硕博生30-50人，建设一支具有国际竞争力的蛋白质质量控制研究队伍。三、研究方案学术思路本项目聚焦蛋白质质量控制研究领域前沿，结合最新发现和国际发展趋势，紧扣蛋白质合成、折叠、修复、降解及修饰等关键环节的质量控制，系统研究蛋白质的“生老病死”。以蛋白质质量控制的关键蛋白质的功能研究为切入点，从单一功能研究拓展到多种功能研究，从单蛋白功能研究拓展到相互关联蛋白的网络研究，并将功能研究与结构研究紧密结合，正常和应激条件下功能研究紧密结合，阐析关键蛋白质的结构、功能和修饰调控机制。应用生物化学、细胞生物学、生物物理学和系统生物学等分析蛋白质质量控制相互作用的分子网络，揭示其与蛋白质错误折叠相关疾病发生发展的内在关系，获得蛋白质质量控制分子机制的全景网络。技术途径本项目依据已有工作基础，设臵四个紧密关联的蛋白质质量控制研究课题，包括1）蛋白质生物合成的质量控制、2）蛋白质氧化折叠与氧化还原修饰、3）蛋白质错误折叠及分子伴侣的作用、4）蛋白质异常修饰与疾病的关系，针对拟解决的关键科学问题联合攻关，获得蛋白质质量控制和修饰调控的创新研究方法和平台，以及质量控制分子机制的全景网络；在应用成果方面获得能够试用于老年性痴呆症临床诊断的生物标记物；筛选调节蛋白质质量控制的小分子化合物。项目研究技术途径示意图如下：项目总体研究技术途径示意图课题1蛋白质生物合成的质量控制首先以亮氨酰-tRNA合成酶（LeuRS）为代表，研究不同来源的LeuRS之合成和编校功能的特点，阐明在蛋白质生物合成起始阶段质量控制的机理。同时在原核和真核生物中，开展对肽酰-tRNA移位相关的两个因子EF-G和LepA的研究，阐明在蛋白质生物合成过程中的质量控制机理和生理学意义。最后利用分子生物学和生物化学的方法研究：蛋白质跨膜前的新因子LepA/Guf1与其他因子的相互作用；LepA/Guf1翻译阻滞与蛋白质合成的关系；LepA/Guf1与SRP的系统效应。课题1研究技术途径示意图课题2蛋白质氧化折叠与氧化还原修饰首先建立蛋白质巯基氧化还原修饰的评价体系，筛选出氧化还原敏感的蛋白质靶点，建立体外及体内研究蛋白质氧化折叠与蛋白质质量控制的关键蛋白的研究模型。之后，具体研究各个关键蛋白质靶点的巯基氧化还原修饰对于蛋白质氧化折叠与质量控制的调控机制。最后，利用建立好的蛋白质氧化折叠与质量控制体系的体外与体内评价体系，来筛选具有调控作用的小分子化合物，为进一步的药物设计奠定基础。课题2研究技术途径示意图课题3蛋白质错误折叠及分子伴侣的作用首先选定与神经退行性疾病相关的几个淀粉样蛋白质作为研究模型。所选蛋白质都有较好的遗传学背景和临床病理现象，所取得的研究成果将能够为探索病理机制和防治方法提供依据。关注分子伴侣在蛋白质错误折叠的发生和清除中的作用。采用多学科、多技术的综合研究方法，集中精力解决蛋白质错误折叠和聚集的机制这一中心问题。主要包括体外聚集研究，揭示体外聚集和纤维化的物理化学规律；细胞内包涵体研究，揭示细胞内包涵体形成的动态过程；分子伴侣的作用，借助体外和细胞模型研究分子伴侣和辅伴侣对蛋白质聚集和包涵体的作用，深入研究分子伴侣相互作用及纤维的形态和形成规律的结构基础。课题3研究技术途径示意图课题4蛋白质异常修饰与与疾病的关系从蛋白质的异常修饰、细胞内蛋白质的修饰及其相关作用网络、动物模型的建立，再到认知功能损伤的学术研究途径。蛋白质的化学修饰，即非酶促氨基修饰（甲醛、核糖等），研究修饰后蛋白质的结构与功能；建立“醛应激”细胞模型，包括甲醛、核糖（多羟基醛）等，建立神经Tau、α-Synuclein过度磷酸化的细胞模型，研究过度磷酸化及其相关激酶、磷酸化酶，蛋白质质量控制体系的作用等；建立“甲醛应激”动物模型，研究甲醛诱导脑内神经Tau的过度磷酸化，细胞功能变化、突触损伤，在此基础上阐明蛋白质异常修饰与认知功能损伤的关系；同时采用老年性痴呆症转基因鼠加以验证；内源性甲醛等与认知功能障碍之间的关系；开展临床老年性痴呆症病人内源性甲醛的测定与认知功能损伤的测评等，研究内源性甲醛与老年性痴呆症认知功能障碍之间关系。课题4研究技术途径示意图创新与特色整个项目学科交叉，将单个蛋白质与相互作用网络的研究紧密结合，将体外生化性质与体内生理功能研究紧密结合，将生理过程的平衡状态与疾病过程的失衡状态研究紧密结合，全面揭示蛋白质质量控制体系的作用机制和调控机制。具体创新点与特色表现在：1.思路创新，注重系统和网络研究，1+12从关注蛋白质质量控制单个关键蛋白质的功能研究转为注重功能相关蛋白质相互作用网络研究，如：在氧化折叠系统作用的研究中，将（Ero1-PDI，H2O2-Prx4/Gpx7/Gpx8-PDI,QSOX1）作为一个整体研究，不仅回答单一氧化折叠酶的作用机制，还将阐述氧化折叠过程中内质网氧化还原平衡调控的机制；在分子伴侣（Hsp70、Hsp90、Hsp104、GroEL、TriC）和辅伴侣（CHIP、HSJ1、USP19、BAG6）作用的系统研究中，除了鉴定单个分子伴侣的作用，还将阐述这些分子伴侣之间的关系，从而