磷酸化修饰对天然无序蛋白质的结构调控研究

Protein phosphorylation, one of the most pervasive protein post-translational modifications (PTMs), plays an important role in many fundamental cellular processes. A statistical study indicates that in eukaryotic proteins, phosphorylated sites are mainly located in intrinsically disordered proteins or regions (IDPs). Recent investigations on the influence of phosphorylation regulation in IDPs physiological functions have made an inspiring progress. However, how phosphorylation of specific residue affects the conformations of IDPs and then influences the recognition of targeted molecule, have not been uncovered due to the limitations of experimental technology at present. This project will use the N-terminal transactivation domains of p53 tumor suppressor (p53 TAD) and disordered cyclin-dependent kinase inhibitor Sic1 as model proteins, through a new strategy by combining different molecular simulation methods, as well as experimental techniques, to systematically investigate the molecular mechanism of phosphorylation regulation for IDPs, including conformational distribution features due to local and long-range interactions changes arising from phosphorylation, as well as influences on the process of molecular identification with target protein. The investigation of this project will contribute to deeper understanding of physiologically molecular mechanism of phosphorylated proteins, and could provide theoretical basis and new insights into rotational drug design for related diseases.

蛋白质的磷酸化修饰是最广泛、最重要的一种蛋白质翻译后修饰方式，参与很多基本的生命过程。据统计，真核生物中蛋白质磷酸化修饰位点主要位于天然无序蛋白质区域。尽管在磷酸化修饰对天然无序蛋白质的功能调控方面已经取得了很大研究进展，但磷酸化修饰是如何影响无序蛋白质构象变化，以及进一步调控与目标分子识别实现功能的，现有的实验手段还很难提供深入的理解。本项目以肿瘤抑制因子p53的N端转录激活结构域（p53TAD）和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子Sic1为研究体系，建立多种模拟方法相结合的新策略，对两个体系进行模拟，并将模拟结果和实验分析相结合，系统研究磷酸化修饰对自由态无序蛋白质局部和长程相互作用影响所导致构象分布特征的改变，以及对目标蛋白识别进行结构调控的分子机制。此项目的研究不仅有助于深入理解蛋白质磷酸化修饰在生命活动中作用的分子机制，并可能为相关疾病的药物设计提供理论指导和研究思路。

天然无序蛋白质是一类在生理条件下难以形成稳定三维结构的蛋白，在生物体内广泛存在。磷酸化修饰是普遍存在的蛋白质翻译后修饰方式，调节生命活动的各个过程，常发生在柔性较高的天然无序蛋白质或蛋白质无序区域。有关磷酸化修饰如何影响无序蛋白质的结构变化，进而调控功能的相关分子机制还缺乏深入理解。本项目通过模拟计算和实验手段，以模型蛋白为研究体系，探讨了无序蛋白质中磷酸化修饰对结构及功能的分子作用机制。本项目取得的研究成果主要包括：（1）模拟研究了p53 N端结构域TAD1和TAD2中多磷酸位点对构象系综分布及转变动力学影响，发现磷酸化修饰对整体结构的影响不明显，但改变了构象态间的转变速率，阐明磷酸化修饰的作用需要既考虑结构影响，也不能忽略结构转变的动力学变化；（2）应用粗粒化模型对多个蛋白无序片段及磷酸化修饰体系进行了模拟采样，发现粗粒化模型得到的多肽链过于塌缩，磷酸化后的多肽与序列静电分布模式参数SCD的相关性变差；（3）通过模拟直接复现了钙离子结合钙调蛋白N端结构域（nCaM）无序区，进而诱导蛋白质别构过程，发现钙离子结合nCaM后别构在约100ns内瞬间完成，解释了该体系的别构发生机制，检验了相关理论模型；（4）收集并分类整理了已发表的有关蛋白质体外液-液相分离实验数据，构建并更新了蛋白质液-液相分离数据库LLPSDB/LLPSDBv2.0，为相关领域研究人员提供了可获取资源；（5）研究了肿瘤抑制因子p53相分离及与RNA聚合酶II的 C端结构域共相分离的分子机制，发现特异性结合DNA和相关位点的磷酸化修饰对相分离有调控作用，为后续研究基因转录机制提供了参考。. 在本项目基金资助下，共培养研究生9名，其中6名已获得硕士学位，发表了有基金资助标注的SCI论文8篇。