CCR4-NOT复合物家族成员CNOT9及其复合物的晶体学结构与功能研究,铜绿假单胞菌酪氨酸磷酸酶TpbA的晶体结构与活性分析

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CCR4-NOT复合物在生物体中具有重要的作用,它在真核生物中高度保守,并参与不同细胞水平基因表达的调控过程。其复合物有九个亚基构成,各自具有独特的生物学功能。这其中,CNOT9亚基在物种进化上表现出很高的保守性,具有臂状(ARM)重复结构单元,表面带有正电荷的凹槽能够结合寡聚核苷酸,但最近有报道发现,CNOT9对poly(G)、poly(C)及poly(T)亲和性远远大于poly(A)。以前的研究发现CNOT9在体外可以抑制CNOT7的脱腺苷酸化酶的活性,但两者之间并没有直接的相互作用,由此推测CNOT9发挥调控作用的机制可能与核苷酸的结合相关,但尚未得到CNOT9与寡聚核苷酸复合物的结构,无法深入探讨调控机制。  在铜绿假单胞菌中,生物膜的形成是建立慢性感染和在宿主体内存活的关键,并且还与细胞通讯和生长有紧密联系。铜绿假单胞菌PA14中的酪氨酸磷酸酶TpbA可以被分泌到周质中,连接了胞外群体效应信号与EPS(胞外多糖)的产生,并通过对c-di-GMP的负调控来调节生物膜形成,此外胞外DNA(Extracellular DNA,eDNA)与c-di-GMP浓度成反比例,TpbA可通过降低c-di-GMP浓度,从而作为eDNA和细胞溶菌作用的正调控物发挥作用。TpbA是一个双重特异性酪氨酸磷酸酶,在体内,它可以控制TpbB在酪氨酸和丝氨酸/苏氨酸残基上的磷酸化,在体外,使用纯化的酶可以证明TpbB是TpbA的底物。因此,TpbA可通过对TpbB的去磷酸化导致其失活,从而引起c-di-GMP产量减少。作为胞外群体效应信号与生物膜形成之间的重要连接物,TpbA可能是一个潜在的控制细菌行为甚至作为药物开发的靶点。  本论文第一部分利用结构生物学手段,采用多种蛋白质分离纯化的方法,经过蛋白质结晶条件的筛选,获得高质量蛋白晶体。通过X射线衍射技术,解析得到了CNOT9-poly(G)、CNOT9-GMP底物复合物的晶体结构,分辨率分别为2.3(A)和2.25(A),CNOT9-poly(G)复合物结构显示在正电荷凹槽处存在底物密度但无法确定其为DNA,暗示出核苷酸与CNOT9的结合可能是非特异性的;CNOT9-GMP复合物结构揭示出单个核苷酸与正电荷凹槽处的结合位点,并在晶体结构中观察到另外三处结合位点。通过多序列比对发现,结合位点处残基高度保守,推测与CNOT9与核苷酸结合的能力是进化过程中重要的保守的功能。  本论文的第二部分我们根据已经得到的结构设计CNOT9的特殊突变体,通过体外研究CNOT9与CNOT9突变体对比发现,天然CNOT9不会抑制CNOT7的脱腺苷酸化酶活性,自己还单独具有比CNOT7强度稍弱的脱腺苷酸化酶活性,而突变体则在这方面活性有不同程度的降低,这显示了这些重要位点的确对于CNOT9的脱腺苷酸化酶活性有重要的影响。这一发现改变了我们以前对于CNOT9亚基作用的看法,暗示CCR-NOT4蛋白复合体在脱腺苷酸酶活性方面有可能存在更多可能性。  本论文的第三部分利用结构生物学手段,同样采用各种蛋白质分离纯化的方法,经过蛋白质晶体的筛选,获得了高质量的蛋白质晶体。通过X射线衍射技术,解析得到了TpbA野生型、TpbA-磷酸底物复合物以及突变体TpbA(C132S)-磷酸酪氨酸底物复合物的晶体结构。经过结构对比发现与过去报道过的无底物结合状态的结构相比,底物结合状态的蛋白构象发生了很大改变。另外,我们还检测出TpbA对于从TpbB中分离出的两条包含磷酸酪氨酸的短肽有催化活性,动力学分析表明TpbA对于Tyr48的催化活性大于Tyr62.这些发现为DUSP家族结构增添了新的内容,为研究TpbA在生物膜形成中发生的作用揭示了一些线索。
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