酿酒酵母Iml3-Chl4复合物的结构生物学研究以及膜蛋白NPC1的表达纯化

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遗传物质的准确复制并精确分配到子代细胞中是生物体存活与延续的基础。根据细胞分裂类型又可分为有丝分裂和减数分裂。但无论哪种细胞分裂,都需要纺锤体的纺锤丝附着在染色体的特定区域上,最终牵引染色体被拉向细胞的两极。人们把这个特定的区域称之为着丝粒,大分子复合物——动粒在着丝粒上进行组装,指导染色体的分离。  根据在动粒上的位置,可将动粒组分分为内层动粒蛋白、外层动粒蛋白以及调节蛋白。目前一致认为内层动粒主要由16个CCAN蛋白(哺乳动物类)组分组成,该区域与着丝粒DNA紧密连接,随后招募其他的动粒组分。而CENP-L/CENP-N作为CCAN复合物的核心组成元件,在动粒组装的上游发挥作用,并招募其他组分在染色体上装配。但CENP-L/CENP-N是如何被招募到着丝粒核小体上目前还不是很透彻。  本文以酿酒酵母着丝粒动粒蛋白Iml3/Chl4(哺乳动物CENP-L/CENP-N的同源蛋白)为研究对象,解析了Iml3蛋白和Iml3-Chl4378-458复合物的晶体结构。结构显示:Iml3是一个较新的结构组装模式,主要由两个分离的结构域组成:不完全的β折叠桶和扭曲的平面,通过分子间的疏水作用维持着整个结构的稳定性。在晶体结构中,尽管一个不对称单位中只有一个Iml3分子,但它与晶体学对称所产生的另一个Iml3分子通过βstrand上的主链氢键形成同源二聚体。当Chl4蛋白存在时,Chl4能破坏Iml3的同源二聚界面,以更加稳定的方式结合Iml3。Chl4的C端形成4个βstrands,以反平行的方式与Iml3的11个βstrands组成一个连续、延伸的β-sheet,并通过多对氢键以及盐桥相互作用保证了复合物的稳定和结合特异性。  结构分析与文献查阅发现,Chl4通过与着丝粒Cse4核小体(哺乳动物CENP-A核小体)的直接相互作用被招募,除了Chl4的N端与Mif2蛋白(哺乳动物CENP-C的同源蛋白,具有DNA结合能力)相互作用的推动,是否还存在其他的作用力促使这个过程的发生呢?凝胶阻滞和荧光偏振实验结果表明,Iml3和Chl4具有协同结合dsDNA的能力,而单独的Iml3和Chl4都不具有与dsDNA的结合能力。结构分析及突变体实验发现,这种非特异性结合dsDNA的能力主要来源于Iml3-Chl4复合物的β-sheet内侧碱性富集区。与几乎同时发表的的Stephen et al.研究组的研究表明:破坏Iml3与Chl4的二聚作用界面,直接导致了染色体分离的准确性以及使孢子的生成率降低,他们将此现象的最终原因归结为异源二聚界面的破坏。我们的凝胶阻滞以及荧光偏振等实验表明,异源二聚界面的破坏只是表象,二聚界面的破坏导致了Iml3-Chl4复合物上的β-sheet内层表面的碱性残基富集区被破坏,从而失去了dsDNA的结合能力,这可能直接阻碍了自身的着丝粒定位以及其下游内层动粒蛋白的招募,从而抑制了动粒的组装,最终影响了染色体的分离。  胆固醇作为一种环戊烷多氢菲的衍生物,广泛存在于动物的脑及神经组织中,为哺乳动物生长发育所必须,同时也是细胞膜结构的重要组成部分。但是作为两性分子,胆固醇的转运以及信号传导既需要可溶蛋白的协助,又需要膜蛋白的参与。  在哺乳动物中,胆固醇除了内质网上的从头合成,还涉及到外源性摄取:低密度脂蛋白结合到低密度脂蛋白受体上,随后内化进早期内涵体,在酸性pH的作用下,两者解离。低密度脂蛋白被转运至晚期内涵体,经溶酶体酶水解成自由胆固醇,在可溶蛋白NPC2/膜蛋白NPC1的协同作用下,转运出内涵体。当NPC2/NPC1基因发生突变时,会引起自由胆固醇在内涵体中的积累,在人源中这种疾病称为Niemann-Pick type C(NPC)疾病。可以看出,膜蛋白NPC1是一种非常重要的转运蛋白。近来研究发现,NPC1还可以作为某些包膜丝状病毒感染宿主细胞的受体蛋白,帮助丝状病毒在宿主细胞内的复制、组装。但膜蛋白NPC1是如何既作为转运蛋白帮助胆固醇的转运,又作为受体蛋白帮助子代病毒感染宿主细胞还不是很透彻。  本文以膜蛋白NPC1为研究对象,成功克隆了NPC1蛋白在不同物种中的50个同源蛋白,筛选出了能在pichia系统中稳定表达的TlNPC1(Thermomyces lanuginosus);同时根据多次实验以及二级结构的预测,成功筛选出能够稳定存在的TlNPC1截断片段;结合去垢剂的筛选、去甲基化、去糖基化、蛋白酶解、LCP脂质体以及冷冻电镜等方法,但都没有成功解析出NPC1蛋白的三维结构。
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