磷酸化修饰调控4E-BP2折叠机理和作用机制的研究

The RNA translation involves in most of signal networks in organism. Many kinds of human disease are directly or indirectly related with RNA translation. Tumor is the main disease correlated with RNA translation. eIF4E is an eukaryotic initiation factor and can specifically bind with the cap structure at the end of RNA. eIF4E plays a key role in the signal networks of RNA translation. But the expression of eIF4E is always too high in tumor cells. 4E-BP2 can bind with eIF4E by using the canonical YxxxxLφ motif and is an active inhibitor of eIF4E. While the binding affinity of 4E-BP2 to eIF4E is heavily affected by the phosphorylation of 4E-PB2. 4E-BP2 is an intrinsically disorder protein. The phosphorylation will induce 4E-PB2 to fold into a beta structure. In this program, we will apply the replica exchange molecular dynamics (REMD) method and residue-specific force fields (RSFF1/RSFF2) to investigate: 1) the folding mechanism of 4E-BP2 regulated by the phosphorylation of T37 and T46; 2) the effect of phosphorylation and polarization on the binding affinity of 4E-BP2. Based on this program, we hope that we can understand the folding mechanism of proteins modulating by the phosphorylation and uncover the principle of RNA regulation responding to the phosphorylation. The conclusion from this program can provide the guidance for the design of related drugs.

RNA翻译涉及众多蛋白质信号网络，与大多数人类疾病息息相关，肿瘤是最主要的一类与RNA翻译相关的疾病。 eIF4E是真核生物RNA翻译的起始因子，能够结合RNA末端的帽子，是RNA翻译信号网络中的关键蛋白质。但是eIF4E在肿瘤细胞中经常会过高表达。借助于YxxxxLφ结构域，4E-BP2能够特异性识别 eIF4E的结合口袋，是有效的肿瘤抑制剂。然而磷酸化修饰会严重影响4E-BP2与 eIF4E之间的结合强度，并且诱导内禀无序的4E-BP2折叠形成beta结构。本项目拟运用副本交换方法和RSFF1/RSFF2分子力场研究：1）T37和T46磷酸化修饰调控4E-BP2的折叠机理；2）磷酸化修饰和极化效应对4E-BP2亲和力的影响。项目希望在原子级别上理解磷酸化修饰对蛋白质折叠机理的影响，揭示磷酸化修饰调控RNA信号网络的原理，对相关药物设计具有重要的指导价值。

mRNA翻译过程的失控调节与大多数人类疾病息息相关，肿瘤是最主要的一类与mRNA翻译相关的疾病。eIF4E是mRNA翻译信号网络中的节点蛋白，能够识别mRNA末端的m7Gppp，同时还能特异性识别eIF4G蛋白质表面的YxxxxLɸ结构域，形成eIF4F复合物启动mRNA翻译。4E-BP2与eIF4G一样含有YxxxxLɸ结构域，可以与eIF4G竞争，结合到eIF4E的表面，阻止eIF4F复合物的形成，中断mRNA翻译。但是磷酸化修饰会诱导内禀无序的4E-BP2折叠形成beta结构，很大程度地减弱了4E-BP2与eIF4E之间的结合强度，因此eIF4G再次与eIF4E结合，重启mRNA翻译。本项目综合运用数据库统计分析、副本交换等方法，并结合RSFF1/RSFF2分子力场研究发现：1）T37和T46磷酸化修饰调控4E-BP2的折叠机理。研究发现磷酸基团可以作为4E-BP2折叠的起始位点，促使4E-BP2进行折叠。磷酸基团周围保守的作用网络为蛋白质设计引入了新的结构单元；2）4E-BP2与eIF4E相互作用的全局信息。该项目结合同源建模、动力学模拟等方法，成功预测了4E-BP2与eIF4E相互作用的全局模型，模型包括了所有磷酸化位点，为进一步研究磷酸化修饰调控4E-BP2与eIF4E的作用机理提供关键的原子模型。3）哺乳动物转运蛋白mTSPO结构受小分子结合的影响，并基于实验数据提出了mTSPO功能态的二聚体结构，为设计基于mTSPO的荧光药物设计和研究胆固醇转运机理提供重要的指导信息。