发展非天然氨基酸标记和固体核磁共振方法研究G蛋白偶联受体动态构象变化

Nuclear magnetic resonance (NMR) is a major biophysical tool to reveal dynamic change of protein conformation. G-protein coupled receptors (GPCRs) are an important trans-membrane protein family to mediate cell signaling transduction. They are the most important drug targets. Despite recent breakthroughs in the structural analysis of GPCRs, it still lacks effective methods to analyze dynamic mechanisms of GPCRs and its downstream proteins under different ligand binding conditions.. In this study, genetic codon expansion will be developed to label the specific sites of proteins by 13C, 15N and 19F isotopes. Moreover, high field solid state nuclear magnetic resonance spectroscopy will be exploited to study the dynamic action of beta-2 adrenergic receptor (B2AR) and reveal the biophysical mechanisms of interaction of Gs, Go and arrestin proteins under different ligand binding conditions. The combination of protein site-specific isotope labeling and high field solid state nuclear magnetic resonance spectroscopy, developed in this study, will provide us a general method to study the dynamic properties of other key trans-membrane proteins or protein complexes in eukaryotic cells.

核磁共振（NMR）是揭示蛋白质在各种功能状态下动态构象变化的主要生物物理方法之一。G蛋白偶联受体（GPCR）是介导细胞膜上信号传导的关键膜蛋白，也是目前最重要的药物靶标蛋白。虽然近年来有关GPCR的结构解析获得了重大突破，但是针对GPCR及其下游蛋白在不同配体结合条件下，如何产生不同功能的动力学机制仍然缺乏有效的研究方法。.本研究项目将发展基因密码子扩展方法，通过在蛋白质特定位点引入13C, 15N, 19F等同位素标记，并发展和应用高场固体核磁共振方法研究B2AR(肾上腺皮质激素受体2)在不同配体结合条件下的动态特性，进一步揭示不同配体结合B2AR后如何影响GPCR与Gi，Gs， Go, arrestin蛋白相结合的分子生物物理机制。本项目的开展，还将为综合应用蛋白质定点同位素标记和高场固体核磁共振相结合，分析真核细胞中其他重要膜蛋白或蛋白质复合物的动态特性提供重要的研究方法和思路。

核磁共振（NMR）是揭示蛋白质在各种功能状态下动态构象变化的主要生物物理方法之一。G蛋白偶联受体（GPCR）是介导细胞膜上信号传导的关键膜蛋白，也是目前最重要的药物靶标蛋白。虽然近年来有关GPCR的结构解析获得了重大突破，但是针对GPCR下游蛋白在不同配体结合条件下，如何产生不同功能的动力学机制仍然缺乏有效的研究方法。同时翻译后修饰蛋白的动态构象，蛋白质化学键的断裂机理及蛋白质复合体的原位相互作用等重要科学问题的研究尚存在技术障碍。因此发展新的技术方法并结合NMR回答上述的科学问题对我们深入理解这些生物学现象具有十分重要的意义。. 在本项目的资助下，我们成功利用基因编码非天然氨基酸技术将19F标记的多种非天氨基酸插入到G蛋白，半胱氨酸双加氧酶（CDO），p53，MEKK3和MEK5的不同功能位点，并利用19F NMR成功观察到G蛋白的核苷酸交换，乙酰化p53-DNA/蛋白质相互作用的构象变化，CDO碳-氟键的断裂及MEKK3与MEK5蛋白的原位相互作用等科学现象。本项目的开展，将为综合应用蛋白质定点同位素标记和核磁共振相结合，分析其他重要蛋白质复合物的动态特性提供重要的研究方法和思路。