蛋白质胆固醇动态修饰的调控机制、化学干预和功能研究

Cholesterol is the most abundant sterol in mammals. It mainly regulates membrane properties. Hh was found to be covalently modified by cholesterol in 1996. Hh plays essential roles in embryonic development, cell proliferation and cancer. Since then, Hh has been considered as the only cholesterol-modified protein in proteome. During long-term collaboration, we have developed a cholesterol-mimicking chemical probe, called CP. Using CP coupled with click chemistry, we were able to analyze and identify cholesterol covalently linked proteins. We found that Smo was modified by cholesterol on the D95 residue. Smo is a key member in Hh pathway. Homozygous modification site mutated mouse was embryonic lethal with severe developmental defects, indicating cholesterylation is critical for Smo’s function. Based on the previous work, we will optimize the chemical probes of cholesterol and the method to identify new cholesterol-modified proteins. We will characterize the enzymes and regulatory factors for cholesterol modification of Smo. The functional regulation of Smo cholesterylation in Hh signaling will be investigated. We will develop small molecules that interfere with Smo cholesterylation and inhibit Hh signaling. The anti-tumor activity of the chemicals will be measured. In sum, this project will deepen our understanding on the cholesterol modification of proteins and pave a new way to treat cancers.

胆固醇是生物体内含量最丰富的甾醇分子，它主要调控膜的性质。1996年首次发现胆固醇可以共价修饰Hh蛋白，这一修饰在胚胎发育、细胞增殖和肿瘤发生中起重要作用。长期以来学术界一直认为Hh是唯一的胆固醇修饰蛋白。我们合作发展了一模拟胆固醇的小分子探针CP，结合点击化学反应，能够分析并鉴定胆固醇连接蛋白。利用该方法，已经发现一新的胆固醇共价修饰蛋白Smo，它是Hh通路中的关键成员，其胆固醇修饰对Hh信号转导和胚胎发育至关重要。基于该研究基础，本项目将进一步优化胆固醇探针CP及分析方法以提高效率和灵敏度；鉴定新的胆固醇共价修饰蛋白；发现催化Smo胆固醇修饰的酶及调控因子，阐明Smo进行胆固醇修饰的分子机制；揭示Smo的胆固醇修饰在Hh信号转导中的功能调控；发展干预Smo胆固醇修饰的小分子，分析其抑制Hh信号转导与抗肿瘤的功能。本项目将开拓蛋白质胆固醇动态修饰的研究领域，并为抗肿瘤药物研发提供新思路。

胆固醇是生物体内含量最丰富的甾醇分子，它主要调控膜的性质。我们前期研究发现胆固醇能通过与人源Smoothened(SMO)的第 95 位(鼠源第 99 位)的天冬氨酸侧链的羧基形成酯键以共价连接到SMO的富含半胱氨酸结构域中，该过程被称作SMO的胆固醇修饰。SMO胆固醇修饰对于其功能至关重要。.在本项目中，我们证明SMO蛋白的胆固醇修饰是一个自发反应，SMO的第95位天冬氨酸侧键能与第130位酪氨酸侧链形成内酯键中间体。我们阐明胆固醇共价修饰Smoothened的动态调控过程，SMO通过耦联G蛋白αi亚基，抑制环磷酸腺苷产生，降低蛋白激酶A对于三磷酸肌醇受体的磷酸化，从而释放内质网钙库中的钙离子。内质网腔内的钙离子感受器STIM蛋白感知内质网腔中钙离子耗竭，进而激活细胞膜上的钙离子通道ORAI1，促进细胞外钙离子内流，增加SMO蛋白囊泡中的钙离子浓度，促进SMO的胆固醇修饰。我们的工作揭示了SMO胆固醇化的独特的自催化机制和钙在Hh信号转导中的前所未有的作用。.我们还鉴定到内质网膜蛋白EBP (Emopamil Binding Protein)，也称为3-β-羟基类固醇 -Δ8，Δ7异构酶通过胞质端尾与SMO结合，过表达EBP抑制SMO胆固醇修饰和Hh 信号通路活性，而敲除EBP增强SMO胆固醇修饰和下游信号通路。EBP介导的SMO胆固醇化抑制与其异构酶活性无关，但依赖于EBP与SMO的结合。两者的结合抑制了初级纤毛内SMO的积累，并使SMO滞留于内质网，进而妨碍SMO胆固醇修饰。我们还发现CDPX2 (X-linked dominant chondrodysplasia punctate 2) 相关的EBP突变体强烈抑制SMO胆固醇化，提示EBP 对Hh信号通路的影响可能是造成CDPX2 发病的原因。我们的工作确定了EBP蛋白是一种新的Hh通路负性调节因子加深了我们对SMO胆固醇修饰以及Hh信号通路转导机制的认识，同时也为开发Hh通路相关癌症的药物提供了新的思路。