蛋白质ADP-核糖化稳定结构模拟物的设计合成及化学遗传学研究

Protein ADP-ribosylation plays important roles in the control of key physiological activities and pathologic processes. How the organism utilizes complex protein ADP-ribosylation network to realize precise functions has emerged as the new challenge in this research field. However, the high unstability and dynamic reversibility of ADP-ribosylation make the investigation of its physiological functions extremely difficult. Therefore, in this project, we will design and synthesize the structurally stable protein mono ADP-ribosylation mimics based on the principle of medical chemistry. And then we will study the interactions of the designed mimics with their recognition proteins for exploring the molecular mechanisms in the recognition procedure, and prepare the poly ADP-ribosylation structurally stable mimics based on SAR studies. Finally, we can utilize the designed mimics as recognition moieties, with connection of photo-crosslinking groups and report groups, to prepare novel molecular probes, by which the direct and convenient chemical genetic methodologies can be built to acquire momo and poly ADP-ribosylation recognition proteins respectively.

蛋白质ADP-核糖化参与系列重要的生理功能和病理过程。生物体如何利用复杂的蛋白质ADP-核糖化网络实现精准生物功能是该领域研究的重要课题。但是，蛋白质ADP-核糖化高度的化学不稳定性和动态可逆性造成对其功能研究的极大困难，目前缺乏能够模拟蛋白质ADP-核糖化的结构稳定分子工具。鉴于此，本项目将从化学结构改造的角度出发，首先依据药物化学原理设计合成具有化学和酶学稳定性的蛋白质（单）ADP-核糖模拟物。然后通过相互作用研究揭示模拟物与ADP-核糖识别蛋白特异性作用的分子机制，在总结构效关系的基础上合成具有稳定结构的蛋白质（聚）ADP-核糖模拟物。最后，利用所设计合成的（单/聚）ADP-核糖模拟物，通过引入光交联基团和报告基团，制备性能优良的新型分子探针；并利用此类分子探针发展直接、方便获取（单/聚）ADP-核糖识别蛋白的化学遗传学方法。

蛋白质ADP-核糖化参与系列重要的生理功能和病理过程。本项目针对蛋白质ADP-核糖化的结构不稳定性和可逆性所造成的生物功能研究困难、以及缺乏蛋白质ADP-核糖化研究的化学生物学工具分子等问题开展研究。从化学结构改造出发，我们设计合成了14种ADP-核糖化多肽，发展了全新的仿生模块化合成策略和ADP-核糖类衍生物构型的二维核磁鉴定方法；通过光交联动力学、竞争性结合实验、表面等离子共振（SPR）以及蛋白定点突变等研究方法，系统研究了所合成的多肽与Macrodomain mH2A1.1及其突变体Macrodomain mH2A1.2的分子间相互作用。在此基础上，我们首次揭示了1,2,3-三氮唑单元及其α-型糖苷键能够模拟ADP-核糖化组蛋白尾肽结构的天然酯基糖苷键，具有与天然ADP-核糖多肽相当的识别功能和亲和力，进而开发了一类具有化学和酶学稳定性的蛋白质ADP-核糖模拟物。随后，我们将仿生合成ADP-核糖化多肽与PARP1酶促的聚ADP-核糖化反应串联，实现了在多肽定点引入最多100个ADP-核糖结构单元的聚ADP-核糖多肽的合成。在分子探针和化学遗传学方面，我们利用在所设计合成的多肽结构中引入光交联基团和生物素的方法实现了功能性ADP-核糖化分子探针的构筑，并进一步利用该探针发展了正向化学遗传学方法，实现在Hela细胞匀浆中有效富集mH2A1.1和PARP9等ADP-核糖结合蛋白。此外，我们还拓展了具有不同糖苷键链接方式的ADP-核糖化多肽的设计合成，发展的基于Thiol-ene click反应的ADP-核糖化多肽合成方法，有望用于更具挑战性的ADP-核糖化蛋白质的设计合成。