架构蛋白INAD PDZ5结构域随光信号构象转变的结构与功能研究

架构蛋白INAD在构建果蝇视觉信号传导复合体中处于枢纽地位。最新研究表明，INAD PDZ5结构域随光信号发生构象转变，而这种转变对于视觉反应的产生至关重要。首次证实了架构蛋白除了作为被动的信号整合平台，还可以主动地参与信号传导的调节。本项目拟综合生物信息学，生物化学，核磁共振波谱，X射线晶体学等多种手段进行INAD PDZ5随光信号构象转变的结构与功能研究，揭示其调控视觉信号传导通路的分子机理与调节机制。我们将首先寻找PDZ5的目标蛋白，再剖析PDZ5与目标蛋白的相互作用机理，最后解析其复合体的三维结构。同时我们将对PDZ45串联结构域进行详细的生物化学与结构表征，并于此基础上阐述PDZ5随光信号发生构象转变的分子机理。期望能以INAD这一架构蛋白的典范体系，从结构生物学角度探讨架构蛋白主动参与信号传导调控这一全新功能的普适意义。同时，本项目对于重大疾病的预防和治疗也会有重要的指导意义。

要想看到光，果蝇的感光细胞需要将光子转化为神经信号。这一过程依赖于大量的信号传导蛋白，而架构蛋白INAD作为一个适配器将这些蛋白整合在一起。INAD的PDZ5结构域可在光刺激下在还原与氧化态之间转化，但是其中的调控机制并不清楚。在本项目中，我们通过生物化学及结构生物学的方法，发现PDZ5的氧化还原电势受到其相邻PDZ4结构域的变构调节。在黑暗环境下，PDZ4/5紧密结合形成一个超模块，使PDZ5的氧化还原电势提高到~40 mV，从而将PDZ5锁定于还原态以高效结合靶物——一个重要的视觉信号传导蛋白TRP钙离子通道。光照刺激磷脂酶Cβ调控下的PIP2水解产生氢离子，使得INAD局部微环境酸化。其结果就是PDZ4/5界面上的H547质子化，导致PDZ4/5的相互作用被打破，PDZ5的氧化还原电势降低到~370mV，PDZ5双硫键形成，进而使其与靶物的结合被中断，视觉信号传导终止。而氢离子的快速扩散使得INAD PDZ45超模块重新形成以介导下一轮的信号传导过程。. 综上，我们成功完成了本项目的主要目标，阐述了INAD PDZ5受光刺激构象转化的分子机理。通常情况下，架构蛋白被认为是一个被动的架构平台只是简单将不同的信号蛋白招募在一起。我们的结果证实，架构蛋白可以主动参与信号传导的调节过程。另外，常规认为含半胱氨酸的蛋白质的氧化还原电势只能受胞内电势或氧化剂影响而“被动”发生改变，而INAD PDZ5通过变构效应主动调节其自身的氧化还原电势改变~330mV这一现象，在细胞信号传导蛋白中是空前的。鉴于含半胱氨酸蛋白在细胞内蛋白与酶中广泛存在，该变构效应引起的氧化还原电势改变可能是细胞信号传导调节过程的一个普遍机制。最后，我们的结果表明，磷脂酶C调控下氢离子局部浓度的改变可能在受体依赖的信号传导过程中起到普遍作用，这将有可能改写教科书。