PML核体亚细胞器的功能以及砷对其调节机制的研究

Promyelocytic Leukemia (PML) gene was first cloned from acute promyelocytic leukemia (APL)-specific PML-RARα fusion gene. PML proteins are mainly located in PML nuclear body (PML NB), a specific microspheric nuclear organelle. PML NB is assembled by several different proteins and it plays critical roles in a variety of cellular physiological processes, but the biochemical function of PML NB is still unclear. PML-RARα oncoprotein, which causes APL, disrupts the normal structure of PML NB, suggesting that PML NB plays an important role in the leukemogenesis. Arsenic trioxide, a curative agent for APL, is able to interact with PML/PML-RARα and rapidly induces the aggregation of PML/PML-RARα into NBs for degradation. Yet the mechanisms underlying PML transfer into NBs and the cellular/biochemical basis of the rapid degradation of PML NBs upon arsenic treatment remain obscure. Here we seek to investigate the physiological function and structure of PML NB and the regulatory effect of arsenic on it based on exploring the constituent of PML NB and the underlying mechanism of arsenic in regulating PML NB specific proteins.

早幼粒细胞白血病基因（PML）是从急性早幼粒细胞白血病（APL）细胞的致病性融合基因PML-RARα中克隆的。PML蛋白主要定位于核内的一种呈微球状的亚细胞器中，因此该亚细胞器被称为PML核体。PML核体由许多蛋白质组装而成，在多种细胞生理过程中发挥重要的作用，但其具体的生化功能仍不清楚。导致白血病发生的PML-RARα融合蛋白破坏了PML核体的正常结构，提示PML核体的改变在白血病发生中具有重要的作用。三氧化二砷是治疗APL的一种有效药物，它靶向PML/PML-RARα，诱导PML/PML-RARα向核体聚集，最终导致PML/PML-RARα降解。但是砷作用后，PML/PML-RARα转移到PML核体以及在核体内被降解的机制都不清楚。本项目旨在通过对PML核体的组成成分分析，探索砷对PML蛋白和PML核体特异性调节的分子机制，以期揭示PML核体的生理结构和功能及砷对其结构和功能的影响。

PML核体（PML nuclear bodies, PML NBs）是细胞核内直径为0.1~1 m动态的、异质性的蛋白复合体，该蛋白复合体参与细胞内很多的生物学过程，如基因组的稳定性调节、转录调节和翻译后修饰、细胞命运操控、抗病毒反应等等。PML-RARα是伴有t(15;17)(q22;q21)急性早幼粒细胞白血病（acute promyelocytic leukemia, APL）特征性的融合蛋白，该融合蛋白异常地调节与造血细胞分化有关基因的转录，并破坏PML核体的形成，从而导致该类白血病的发生。三氧化二砷是治疗APL的一种有效药物，它能与PML/PML-RARα结合，从而迅速诱导PML/PML-RARα聚集到PML核体中，并进一步被降解，但是PML/PML-RARα转移到PML核体中的机制尚不清楚，而PML核体又是通过何种细胞生化机制被迅速降解亦不甚明了。在本研究中我们发现，胞浆和核浆中的PML与PML核体中的PML一直处于动态平衡中，三氧化二砷作用后，通过与不同PML RBCC结构域中邻近的巯基结合形成分子间的交联，从而将胞浆和核浆中的PML扣留在PML核体中，使得PML核体的体积迅速增大；另一方面，分子间的交联也使得PML核体对变性剂的抵抗能力增强，从而使得PML发生由上清到不溶的沉淀组分的转移。研究显示，三氧化二砷作用后，PML发生SUMO化修饰，并进一步通过蛋白酶体依赖的途径被降解。同样，三氧化二砷对PML-RARα也具有类似的作用。同时，我们构建了在原核系统中表达PML-Ring结构域的质粒，通过亲和层析纯化、离子交换层析以及疏水层析，成功获得了达到晶体生长所需纯度的PML-Ring结构域蛋白，并成功获得了PML-Ring结构域蛋白的单晶。PML-Ring结构域蛋白晶体结构的获得将有助于我们理解PML-Ring结构域在PML核体组装以及该结构域对于PML核体功能的影响。