金属离子依赖性蛋白磷酸酶PPM1K的催化机制、底物特异性和功能研究

The metal dependent protein phosphatase PPM1K is an important regulator of cell metabolism. The mutations of PPM1K were associated with maple syrup urine disease （MSUD） and type 2 diabetes. In vivo, PPM1K not only promotes the degradation of the branched-chain amino acids (BCAA) through the dephosphorylation of the branched-chain alpha-ketoacid dehydrogenase complexes, but also regulates multiple metabolism processes, such as insulin secretion. Therefore, elucidation of the catalytic mechanism and function of PPM1K has great scientific value. Recently, we have accumulated preliminary data for the catalytic property of the PPM1K、the activation of the PPM1K by BCKD-E2α and the potentail role of the PPM1K in the regulation of KATP channel. We proposed investigate the detailed molecular mechanism underlying the catalysis and activation of the PPM1K、 the substrate specificity of the PPM1K and the role of PPM1K in regulation of the insulin secretion, by combined biochemical、enzymologic and structural methods. Moreover, we are going to identify the unknown substrate of PPM1K in physiological or pathological contexts.

金属离子依赖性蛋白磷酸酶PPM1K是体内代谢活动的重要调控因子，其突变与枫糖尿病和２型糖尿病密切相关。PPM1K不仅通过去磷酸化侧链酮酸脱氢酶复合物(BCKD)来促进侧链酮酸在体内的降解；还调控高糖介导的胰岛素分泌等多种代谢过程。理解PPM1K的催化机制、激活原理、底物特异性以及其调控代谢活动的机制，既是目前的研究热点也有重要科学意义。我们最近初步分析了金属离子介导的PPM1K对底物的催化机制，探索了BCKD-E2α对PPM1K的激活原理，明确了PPM1K对胰岛素分泌的关键节点KATP通道失活的作用。基于这些研究基础，本课题将联合分子与细胞生物学方法，应用多种酶学和结构生物学手段，阐明PPM1K的催化和激活原理、底物选择性和对胰岛素分泌的调控机制。进一步，基于PPM1K的底物选择性，我们还将联合生物信息学和新发展的PPM1K底物陷阱技术，发现PPM1K在代谢活动中的未知底物。

金属离子依赖性蛋白磷酸酶PPM1K是体内代谢活动的重要调控因子，其突变与枫糖尿病和2型糖尿病密切相关。理解PPM1K的催化机制、激活原理、底物特异性以及其调控代谢活动的机制，既是目前的研究热点也有重要科学意义。本课题将联合分子与细胞生物学方法，应用多种酶学和结构生物学手段，阐明PPM1K的催化和激活原理、底物选择性和对胰岛素分泌的调控机制。本课题依据项目申请书，１）对磷酸酶PPM1K野生型和不同突变体进行了酶学研究，应用多种酶学方法阐明PPM1K不同突变对催化的影响机制和激活原理。2）研究PPM1K的底物特异性，发展了PPM1K分子陷阱探针，为探索和发现PPM1K的未知底物奠定了基础；3）研究了磷酸酶PPM1K N94K突变的对磷酸小分子底物和磷酸多肽底物的催化性质，确定了N94K对催化和底物选择的影响。4）利用晶体学方法发现PPM1K N94K催化活性中心催化存在三个金属离子结合位点，阐明了N94K影响催化和底物选择的结构基础。在四年的研究周期中，我们依据项目申请书的研究内容，基本完成了研究目标，研究工作取得很好的进展，在《Nature Chemical Biology》，《Nature Communications》，《J Clin Invest》，《Biol Psychiatry》，《Cell Reports》，《J Biol Chem》和《Mol Pharmacol》等有影响的SCI收录刊物发表了与本课题相关的12篇文章（已标注基金号），课题负责人作为全部这些文章的通讯作者。申请人参加了2017年8月在英国举行的嗜铬细胞国际研讨大会和2016年11月在澳大利亚墨尔本召开的分子药理学大会，对取得的科研成果进行了墙报展示。申请人还获得生化与分子药理学专委会，中美药理学会，受体专委会，北京大学和河北医科大学的邀请，进行了学术研究报告。