蓖麻毒素A链和核糖体蛋白P2相互作用的研究及金黄色葡萄球菌中Rot和SaeRDBD的结构生物学研究

摘要

核糖体失活蛋白（RIPs）是一种N-糖苷酶，可以将28S rRNA上一个保守的腺嘌呤脱嘌呤而导致核糖体失活，抑制蛋白质的合成。蓖麻毒素(Ricin)是从蓖麻种子中分离出的一种毒素，属于Ⅱ型RIPs。Ricin的A链(RTA)是一个32 KD并具有RNA N-糖苷酶活性的亚基。RTA可以将28S rRNA sarcin-ricineloop(SRL)上一个保守的腺嘌呤移除使核糖体失活。人源stalk蛋白复合物是一个五聚体，包含一个P0和两个P-P2异二聚体。核糖体stalk蛋白C端的11个氨基酸残基(SDDDMGFGLFD)高度保守，除了招募延伸因子，还和RIPs相互作用。有研究证实RTA也和stalk蛋白C端保守的11个氨基酸残基相互作用，但详细的分子机制还不清楚。
　　在本研究中，我们通过ITC实验确定了RTA和人源核糖体stalk蛋白P2的相互作用，并且确定RTA主要识别P2高度保守的C端。解析了1.50(A) RTA和P2 C端小肽复合物（RTA-C10-P2）的晶体结构。从结构中观察到，C10-P2主要插入到RTA的一个疏水口袋中。Pull-down实验证明了RTA和C10-P2相互作用界面的关键氨基酸残基。体外抑制蛋白质翻译实验进一步证明了RTA和stalk蛋白的相互作用对于RTA抑制核糖体合成蛋白质是必须的。将RTA-C10-P2复合物结构与天花粉蛋白(TCS)和P蛋白C端复合物(TCS-C11-P)结构进行比较，发现虽然C端小肽结合RTA或TCS的构象不同，但C端保守的LF花样在和RTA或TCS结合中起到至关重要的作用。进一步的分析发现LF花样在真核生物和古细菌的核糖体stalk蛋白中是高度保守的，同时也是翻译因子结合核糖体必须的元件，这些结果表明RTA、TCS以及翻译因子都是通过疏水相互作用和高度保守的LF花样相互作用。
　　金黄色葡萄球菌是一种重要的人类病原菌，可以引起肺炎、心内膜炎、败血症等多种疾病，尤其是甲氧西林抗性、万古霉素抗性菌株的出现，使这些疾病更加复杂。这些疾病的多样性和严重性主要依赖于金黄色葡萄球菌中大量毒力因子的表达。毒力因子的表达和分泌是由一系列的调控因子严格调控的。SarA是金黄色葡萄球菌中一种全局性的转录调控因子。SarA蛋白家族至少有11个成员，可以直接和目的基因的启动子区结合从而调控多种毒力因子的转录。Rot属于SarA蛋白家族中的单结构域亚家族，它可以影响168种基因的转录。由于缺乏Rot的结构信息，Rot和目的基因启动子区结合模式的细节还不清楚。
　　在本研究中，我们解析了1.77(A) Rot蛋白的晶体结构，结构表明一个不对称单位中有两个Rot分子，且形成了一个同源二聚体。每个Rot单体都有一个螺旋-转角-螺旋花样和β-发夹花样，组成经典的翼状螺旋花样。荧光偏振实验结果表明Rot优先识别约30个碱基的AT-rich dsDNA。体内外实验证明了Rot翼状螺旋花样上的正电荷氨基酸残基对于Rot识别dsDNA起到非常重要的作用。因此，我们推测Rot和SarA、SarR以及SarS具有相似的识别dsDNA的模式，都是由螺旋-转角-螺旋花样和dsDNA的大沟结合，β-发夹花样和dsDNA的小沟结合。分子筛层析和荧光偏振实验证明Rot是以二体的形式作为最小的功能单位结合dsDNA的。此外，我们发现Rot和其他SarA同源物的二体作用模式明显不同，而这种差异暗示Rot具有不同于其他蛋白的转录调节机制。
　　双组份调节系统(TCS)是细菌、低等真核生物以及植物监测环境调节并作出反应的一种信号转导机制。金黄色葡萄球菌中有16种保守的TCSs。SaeR/S是其中的一种TCS，该TCS在一些分泌蛋白、细胞壁蛋白以及细胞壁相关蛋白等毒力因子的表达中起着关键的作用。SaeR属于反应调控因子OmpR/PhoB亚家族，它包含一个N端的接收结构域(RD)和一个C端的结合DNA的结构域(DBD)。虽然已经确定SaeR是通过DBD区域和目的基因启动子区结合，但是详细的分子机制还不清楚。
　　在本研究中，我们解析了2.50(A) SaeRDBD蛋白的晶体结构。从结构中观察到SaeRDBD以单体的形式存在且具有一个螺旋-转角-螺旋花样和β-发夹花样，组成经典的翼状螺旋花样。分子筛层析实验表明SaeR和SaeRDBD都以单体的形式存在于溶液中。EMSA实验表明SaeR和SaeRDBD都可以结合P1启动子，但SaeR具有更强的dsDNA亲和力。体内外实验证明了翼状螺旋花样上的5个氨基酸残基对于SaeR体外结合P1启动子和体内发挥生理功能的重要性。因此，我们推测SaeRDBD和PhoBDBD具有相似的识别dsDNA的模式，都是由螺旋-转角-螺旋花样和dsDNA的大沟结合，β-发夹花样和dsDNA的小沟结合。

目录

声明

摘要

第一篇 蓖麻毒素A链和核糖体蛋白P2相互作用的研究

1．1 核糖体失活蛋白简介

1．2 核糖体失活蛋白ricin

1．3 核糖体stalk蛋白

1．4 核糖体失活蛋白和核糖体stalk蛋白相互作用的研究

1．5 Ricin和核糖体stalk蛋白相互作用的研究现状

第2章 实验过程

2．1 基因克隆及质粒构建

2．2 重组蛋白的表达及纯化

2．3 晶体的生长

2．4 衍射数据的收集及处理

2．5 结构解析和模型修正

2．6 结构模型的质量分析

2．7 Pull-down实验

2．8 等温滴定微量热实验

2．9 RTA抑制核糖体合成蛋白质活性的测定

2．10 圆二色谱分析

第3章 实验结果与讨论

3．2 Linker对结构的影响

3．3 晶体堆积对结构的影响

3．4 RTA和C10-P2相互作用界面的分析

3．5 RTA与P2相互作用界面影响RTA抑制核糖体合成蛋白质的活性

3．6 DDDM花样对RTA和C10-P2相互作用界面的影响

3．7 RTA与TCS识别P蛋白模型的比较

本篇小结

参考文献

第二篇 金黄色葡萄球菌中毒性调控因子Rot的结构生物学研究

4．1 金黄色葡萄球菌简介

4．2 SarA及其家族蛋白

4．3 Rot调控因子

第5章 实验过程

5．1 基因克隆及质粒构建

5．2 重组蛋白的表达及纯化

5．3 晶体的生长

5．4 衍射数据的收集及处理

5．5 结构解析和模型修正

5．6 结构模型的质量分析

5．7 Rot-dsDNA复合物的尝试

5．8 荧光偏振分析

5．9 分子排阻层析

5．10 Rot敲除菌株的回补及western blot检测

第6章 实验结果与讨论

6．1 整体结构

6．2 Rot结合dsDNA的特性

6．3 Rot结合dsDNA的作用界面分析

6．4 Rot二体作用界面的分析

6．5 Rot对α-toxin表达的抑制作用分析

6．6 Rot与SarA家族蛋白的比较

本篇小结

参考文献

第三篇 金黄色葡萄球菌中SaeRDBD的结构生物学研究

第7章 综述

7．2 SaeR／S双组份调节系统

7．3 SaeR转录调控因子

第8章 实验过程

8．1 基因克隆及质粒构建

8．2 重组蛋白的表达及纯化

8．3 晶体的生长

8．4 衍射数据的收集及处理

8．5 结构解析和模型修正

8．6 结构模型的质量分析

8．7 凝胶迁移分析

8．8 圆二色谱分析

8．9 分子排阻层析

8．10 SaeR敲除菌株的回补及α-toxin的检测

第9章 实验结果与讨论

9．1 SaeRDBD整体结构

9．2 SaeR和SaeRDBD结合dsDNA特性的分析

9．3 SaeR和dsDNA相互作用界面的分析

9．4 SaeR正调控α-toxin的表达

9．5 SaeRDBD识别dsDNA可能的机制

本篇小结

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果