Hsp70与淀粉样蛋白相互作用的结构生物学研究

Protein amyloid fibril formation is important in the pathogenesis of amyloid diseases. Chaperones can regulate amyloid fibril formation in vivo. Hsp70 can directly interact with the native state of the yeast prion protein Ure2 and with human α-synuclein, leading to inhibition of amyloid fibril formation of these two proteins. We plan to undertake structural study of the interaction between Hsp70 and Ure2/α-synuclein by methods such as NMR, to identify the interacting sites and key residues within the Hsp70 substrate binding domain and Ure2/α-synuclein, in order to identify the role of the Hsp70 C-terminal domain in the interaction, and to investigate conformational changes in α-synuclein when binding to Hsp70 and its relationship with fibril formation. These studies will give structural insight into the regulatory mechanism of Hsp70 in preventing amyloid fibril formation, and provide important structural clues for study of the pathogenesis and treatment of amyloid diseases.

蛋白质的淀粉样纤维化聚集是淀粉样疾病的重要发病机制之一。分子伴侣有调控蛋白质淀粉样纤维化聚集的功能。Hsp70能与酵母prion蛋白Ure2和人类帕金森氏症相关蛋白α-synuclein(α-syn)直接相互作用，从而抑制它们的体内外淀粉样纤维化聚集。我们拟通过NMR等方法从结构生物学角度研究Hsp70与Ure2和α-syn的相互作用，确定Hsp70的底物结合结构域与这两个淀粉样蛋白的相互作用位点和关键残基，通过构建突变体，结合淀粉样纤维化的监测手段研究各关键残基在成纤维抑制中的作用；鉴定Hsp70的C末端结构域在相互作用中的功能；并且研究α-syn在与Hsp70结合时发生的构象变化，试图揭示Hsp70抑制α-syn成纤维的机制，从而从结构生物学角度揭示Hsp70对淀粉样蛋白纤维化聚集的调控机制。我们的研究将为淀粉样疾病的发病机制研究及防治提供重要的结构生物学线索。

分子伴侣Hsp70 能与酵母prion 蛋白Ure2 和人类帕金森氏症相关蛋白α-synuclein直接相互作用，从而抑制它们的体内外淀粉样纤维化聚集。本课题研究进行了酵母Hsp70蛋白Ssa1底物结合结构域的β折叠亚结构域（SBDβ）和C 端亚结构域（CTD）结构域进行了化学位移归属和三维结构解析，为Hsp70与相关淀粉样蛋白相关相互作用的结构生物学研究打下了良好的基础。本课题研究证明，Ssa1的SBDβ能直接结合Ure2，抑制其成纤维，而Ssa1 CTD的α螺旋簇与Ure2没有直接相互作用，但是会促进SBDβ的Ure2纤维抑制活性，而Ssa1 CTD的C末端柔性序列与Ure2存在显著的相互作用，并促进Ssa1的抑制活性。Ssa1 CTD这种相互作用关键位点是Ssa1的C末端无序区域（C-IDR）的GGAP重复基序（609-628）。这一基序构成的独立小肽也会与Ure2相互作用，并与辅分子伴侣Ydj1之间也存在相互作用。我们将Ssa1与DnaK SBD的C-IDR进行互换，并进行其抑制Ure2淀粉样纤维化的动力学研究，结果表明GGAP基序需要与Ssa1 SBD结构域相互协同，才能充分发挥功能。我们进一步证明，在酵母体内，Ssa1的GGAP基序删除和点突变都会影响在酵母对温度、化学试剂的应激反应中Ssa1的功能。对GGAP基序进行生物信息学分析发现，类似的四肽基序存在于其他物种和不同类型Hsp70的C-IDR中，并广泛存在于多种其他功能的蛋白质中，但其功能研究基本处于空白状态。本项目研究结果有助于我们更深入理解Hsp70的结构功能，以及其结合淀粉样蛋白、抑制其成纤维的结构机制。