褪黑素-VDR-Runx2三元复合物促成骨分化的分子机制

Melatonin, VDR and Runx2 are closely related to the osteoblast differentiation, but the molecular mechanisms of the interaction between them and the promotion of osteogenic differentiation are unclear; our team found that there was no direct combination between melatonin and Runx2, but there were direct combinations between melatonin and hormone receptor domain of VDR or VDR and Runx2. Accordingly, it is suggested that melatonin can bind to VDR to form melatonin-VDR complex, and then combine with Runx2 to form melatonin-VDR-Runx2 ternary complex. This project takes structural research as the starting point and breaks through the bottleneck of previous research for melatonin by using MST, x-ray crystallography, nuclear magnetic resonance, EMSA and CRISPR / Cas9. The results of the project will reveal that melatonin or indole hormone small molecules may well have some kind of capacity of regulating and binding some protein similar to the VDR hormone domain; whether melatonin can regulate VDR conformation and there is a mutual regulation between the zinc finger and the hormonal domain of VDR; effects of the conformational changes on nuclear import and binding to specific DNA sequences of VDR and Runx2; the elucidation of three-dimensional structure, interactional site and function of melatonin-VDR-Runx2 ternary complex can provide new drug target information in accordance with its mechanism of action and provide new ideas and clues for osteoporosis treatment.

褪黑素、VDR和Runx2与成骨细胞分化密切相关，但三者相互作用和促成骨分化的机制不清；我们发现：褪黑素与Runx2无直接结合，与VDR的荷尔蒙结构域有直接结合，VDR与Runx2有直接结合。据此提出褪黑素可与VDR结合形成褪黑素-VDR复合物，再与Runx2结合，形成褪黑素-VDR-Runx2三元复合物。本项目以结构学研究为切入点，突破以往褪黑素研究的瓶颈，应用MST、X射线晶体学、核磁共振、EMSA和CRISPR/Cas9等多种手段，揭示褪黑素和吲哚类激素小分子对拥有类似VDR荷尔蒙结构域的蛋白可能都会拥有某种调控和结合能力；褪黑素是否可调控VDR构象，VDR的锌指与荷尔蒙结构域间是否存在相互调控；构象改变对VDR和Runx2入核和结合特异性DNA序列能力的影响；褪黑素-VDR-Runx2的三维结构、作用位点和功能，可提供针对其作用机制的新药物靶点信息，为骨质疏松治疗提供新思路和线索。

骨质疏松症主要是指成骨细胞介导的骨生成小于破骨细胞介导的骨吸收所引起的骨密度和骨质量下降，骨微结构破坏，造成骨脆性增加，从而容易发生骨折的全身性骨病。褪黑素是一种主要由松果体合成节律性分泌的吲哚类激素，褪黑素水平最高时，骨组织生长速度最快；随着年龄增长褪黑素分泌逐渐减少，骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化减少和向脂肪细胞分化增多，是增龄导致骨质疏松的主要原因之一。最新研究发现，补充褪黑素可通过调控成骨特异性转录因子Runx2促进成骨分化，增加骨量，改善骨质疏松，但机制不清。褪黑素、VDR（Vitamin D receptor）和Runx2与成骨细胞分化密切相关，但三者相互作用关系和促成骨分化的机制不清。.本项目综合运用结构生物学、生物化学、细胞生物学等多种技术手段，对褪黑素-VDR、VDR-Runx2、褪黑素-VDR-Runx2三种复合物开展了深入的结构和功能研究，项目资助期间，我们明确了褪黑素、VDR和Runx2三者间的相互作用关系，揭示了褪黑素通过Runx2调控成骨分化的分子机制；鉴定了一个新的褪黑素可以结合的核受体VDR，并新发现褪黑素通过VDR调控Runx2促进成骨分化并阐明其相互作用的分子机制；发现了褪黑素和维生素D3对VDR存在竞争性结合，提高褪黑素浓度可消除维生素D3对其结合VDR的抑制，其它的吲哚类小分子（色氨酸、吲哚乙酸、多巴胺）与VDR之间的无直接相互作用；发表了研究型论文一篇，以及另一篇正在完善待投稿的论文。.主要研究成果包括：（1）发表于J Pineal Res的论文发现了新的褪黑素结合核受体VDR，褪黑素通过VDR调控Runx2促进成骨分化并阐明其相互作用的分子机制，该成果在本领域内引起了广泛的关注。（2）正在完善中的工作，优化条件提高分辨率解析褪黑素-VDR、VDR-Runx2、褪黑素-VDR-Runx2三种复合物的结构，揭示褪黑素-VDR-Runx2复合物促进成骨分化的结构基础。这些研究成果为我们进一步理解褪黑素-VDR-Runx2三元复合物的组装、招募和活性调控机理奠定了坚实的基础，也为发现一些新的潜在的药物作用靶点提供了思路。