PML晶体结构解析及三氧化二砷靶向PML的分子机制研究

PML belongs to TRIM （Tripartite Motif）protein family, which contains three conserved RING, B-box and Coiled-coil domains. PML orchestrates the assembly of a multi-functional spherical protein complex known as PML nuclear body (NB). PML-NB can regulate numerous cellular processes by its remarkable ability to recruit functional proteins including P53, UBC9 etc. However, due to the lack of structural information, the molecular mechanism of PML NB assembly remains unclear. More importantly, PML-RARα oncogenic fusion drives acute promyelocytic leukemia (APL) leukemogensis. The chemical compound, arsenic trioxide (ATO), derived from Chinese medicine, has proven its efficacy against APL by directly targeting PML moiety, likely on the B2 sub-domain as supported by clinical observation: B2 mutations often led to ATO resistance. In this report, we will determine the structures of PML alone or complexed with ATO, which will undoubtedly shed important insight into ATO efficacy in leukemia beyond APL.

PML属于TRIM蛋白家族，它高度保守的氮末端包含3个有序排列的蛋白结构域，分别为RING、B-box和Coiled-coil。PML在细胞内组织构成了多功能的颗粒状蛋白复合体结构-PML核体。非常多的功能蛋白（如P53、UBC9等）定位到PML核体中并赋予PML核体重要的细胞生物学能力。然而，由于缺少结构信息，PML在分子水平上是如何参与PML核体的组装机制至今不清楚。此外，PML与RARα的融合蛋白造成急性早幼粒细胞白血病（APL）的发生。治疗APL的特效药物三氧化二砷（ATO）可以靶向结合PML部分并清除癌蛋白达到治疗的效果。同时临床研究发现对ATO耐受的APL患者PML-B2区域存在大量突变。提示这个区域或与耐药直接相关。但是目前砷剂耐药机理却不明确。因此，本项目尝试解析PML及ATO结合PML的晶体结构，以期阐释PML核体组装及砷剂耐药机制，并为其他类型白血病的研究提供借鉴。

PML蛋白（Promyelocytic leukemia protein）是TRIM（Tripartite motif, TRIM）蛋白家族中的一员，其主要特征是保守的RBCC结构域。在前期研究过程中，我们利用X射线晶体衍射技术成功解析了PML RBCC结构域中的RING结构域的晶体结构。首次从分子水平上揭示RING可以介导PML的聚合，并且这种聚合对于PML核体（PML nuclear body）的形成以及急性早幼粒细胞白血病（Acute promyelocytic leukemia, APL）的发生发展起着至关重要的作用。那么PML RBCC结构域中其他几个结构域是否也可以介导聚合？是否也参与了APL的发生呢？本项目利用结构生物学的方法，成功解析了RBCC结构域中的B1结构域的晶体结构，通过体内外功能实验研究，我们发现B1结构域也可以介导PML进行聚合，而且是更高维度的聚合。同时，这种聚合参与了PML核体的组装过程和APL发生过程，以及APL特效药物三氧化二砷（Arsenic trioxide, ATO）发挥作用的过程。这进一步加深了对APL发生机制的理解，也为药物研发提供了新的思路。