人类P5CR蛋白致皮肤松弛症相关突变体的结构和动力学研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
31860243
项目类别：
地区科学基金项目
资助金额：
42.0万
负责人：
桑鹏
依托单位：
大理大学
学科分类：
C0504.物理生物学
结题年份：
2022
批准年份：
2018
项目状态：
已结题
起止时间：
2019-01-01 至2022-12-31

项目参与者：
杨力权；朱兴文；宋秀锋；刘宏；张康杰；孙国伟；向小然；
关键词：
蛋白质自由能图谱分子模拟皮肤松弛症突变体

项目摘要

Pyrroline-5-carboxylate reductase (P5CR) is a housekeeping enzyme that catalyzes the reduction of P5C to proline using NAD(P)H as the cofactor. While previous work has shown that mutations in the P5CR protein is involved in cutis laxa, the structural mechanism behind the pathology remains to be elucidated. This project will resolve the 3D structure of cutis laxa related P5CR mutants. These structures will be subjected to extensive comparisons with wild type (WT) P5CR by kinetic parameters determination, static structural analysis and molecular dynamics simulation. The near native free energy landscape of these protein-solvent systems will also be constructed. Our aims are to (i) elucidate cutis laxa related P5CR structural elements; (ii) obtain P5CR conformation distribution and their conversion path; (iii) investigate the control mechanism underlying the conformational changes of P5CR. The result of this project will better our understanding of the mechanisms by which P5CR mutations mediate cutis Laxa, and facilitate the aging-related drug development.

P5CR蛋白是生物体中一类重要的管家蛋白，其主要功能是在辅因子NAD(P)H的帮助下催化脯氨酸合成代谢的最后一步反应。近期，研究发现P5CR蛋白突变可以导致严重的皮肤松弛症，但是其致病的结构生物学基础尚不清楚。本项目拟在前期工作的基础上，对报道的致皮肤松弛症P5CR蛋白突变体进行结构解析，并通过酶动力学参数测定、静态结构比较及分子动力学模拟等手段与野生型P5CR进行比较，以期找出与皮肤松弛症相关的重要结构位点。另外，本项目将构建接近于细胞真实溶液环境中的P5CR自由能图谱，并在此基础上获得P5CR蛋白的平衡构象分布信息。完整自由能图谱的构建也将帮助我们找到决定P5CR蛋白两种构象转化的关键结构位点及具体转化路径，揭示P5CR蛋白的构象转化机制,这将极大丰富我们对P5CR蛋白致皮肤松弛症及促进细胞凋亡和衰老机制的认识，为治疗皮肤松弛症及其他衰老相关疾病药物的研发提供帮助。

结项摘要

P5CR蛋白是生物体中一类重要的管家蛋白，人类P5CR蛋白的一些突变可以导致严重的皮肤松弛症，然而其致病的结构生物学基础尚不清楚。本课题综合运用分子生物学和计算生物学手段，对人类P5CR蛋白致皮肤松弛症相关突变体的结构和动力学性质进行了初步研究。首先通过分子生物学方法对已研究报道的七个致人类皮肤松弛症突变体进行克隆、表达和纯化，并将其与野生型P5CR进行酶学性质比较，研究结果表明P5CR在这些位点突变后酶活性均有所下降，因此可推测P5CR酶活性的降低可能是导致皮肤松弛症的潜在因素。由于未摸索到合适的结晶条件，本项目并未获得P5CR蛋白突变体的实验结构，但使用理论预测的方法对七个P5CR蛋白突变体三维空间结构进行了理论预测，并通过常规分子动力学模拟、本质动力学分析以及自由能计算等方法对这些突变结构以及野生型结构的动力学性质进行了研究。结构动力学研究结果表明，P5CR蛋白在突变后其整体结构，特别是与辅酶结合区域柔性降低，即刚性增强，从而可能会引起辅酶进出蛋白的速率降低，因此可以为P5CR为何在突变后其酶活性有所降低提供合理的分子解释。另外，P5CR野生型蛋白与七种突变体在模拟过程中的动态几何属性比较表明，P5CR蛋白突变后其构象柔性的降低主要是由分子内的原子间相互作用数量增加引起的。通过使用元动力学模拟对所构建的野生型和突变体P5CR自由能图谱进行分析和比较表明，P5CR在突变后构象多样性及构象熵均降低，从而可以在结构动力学的角度解释了P5CR突变后酶活性为何降低。项目的研究有助于对P5CR蛋白致皮肤松弛症及促进细胞凋亡和衰老机制的认识，为治疗皮肤松弛症及其他衰老相关疾病药物的研发提供帮助。