内外源配基对跨膜转运蛋白TSPO的结构与动力学调控机制研究

18 kDa transmembrane translocator protein TSPO has received increasing attention as cholesterol transporter, biomarker in medical diagnostic imaging and therapeutic target of neurological diseases. But its role in cholesterol transport has been refuted in recent TSPO-knockout studies. Besides, the A147T mutation decreases the binding affinity between TSPO and diagnostic ligand PBR28 by 50 times, which complicates its application in medical diagnostic imaging. However, the molecular mechanism of TSPO interaction with cholesterol and PBR28 is still unclear. Taking mouse TSPO (mTSPO) as a research object, we intend to use NMR dynamics experiments in combination with paramagnetic labeling techniques, to obtain multiple sets of pseudocontact shifts (PCSs) of both protein and ligands in bound states. The PCSs can then be converted into distance and angular information to elucidate the interaction modes between mTSPO / A147T mutation and cholesterol/ PBR28. Also we will explore the molecular mechanism of modulation on structure and dynamics of mTSPO by endogenous and exogenous ligands. Our study will shed light on the biological function of mTSPO in cholesterol transport process, and will also pave the way for designing new diagnostic ligands for medical imaging.

18kDa跨膜转运蛋白TSPO作为胆固醇转运蛋白、医学诊断成像的生物标志物和神经疾病的治疗靶标而备受关注。在近期的TSPO基因敲除研究中，其转运胆固醇的功能却受到争议。另外，A147T突变体使TSPO与诊断配基PBR28的亲和力降低了50倍，这使TSPO在医学诊断成像中的应用变得复杂。然而TSPO与胆固醇及PBR28相互作用的分子机制尚不清楚。本项目拟以鼠源TSPO（mTSPO）为研究体系，联合使用顺磁标记与核磁动力学实验，获取蛋白及配基在结合态的多套赝接触位移约束，进而利用其中富含的距离和角度信息，解析mTSPO及其A147T突变体与胆固醇、PBR28的相互作用模式，探索内外源配基对mTSPO结构及动力学调控的分子机制。本研究对理解TSPO在胆固醇转运过程中的生物学功能，以及为医学成像设计新型诊断配基均有重要意义。

本项目的总体研究目标是综合利用核磁共振、生物大分子模拟等技术对一系列重大疾病相关蛋白质进行药物筛选及结构与动力学研究，研究取得了一系列成果，包括：.1）利用蛋白质观测和配体观测的核磁共振(NMR)技术，发现了三个与串联RRM弱结合的化合物。主要与RRM2发生相互作用，表明TDP-43的RRM2具有可药性。.2）使用基于片段的核磁共振（NMR）筛选方法找到3个以NSD1蛋白作为靶点的苗头化合物，为进一步以结构为指导的从苗头化合物到先导化合物的衍化奠定了基础。.3）腺苷酸激酶（AdK）是一种单体磷酸转移酶，在调节细胞内ATP浓度方面具有重要的生物学功能。反应中，AdK可能经历一个大的构象转变，与底物形成不同的状态。我们提出了AdK在催化循环中底物可能的进入/释放顺序，揭示了整个过程的原子细节，对理解催化循环的过渡途径和潜在的分子机制有重要意义。.4）基于贝叶斯推理和约束的MD模拟，我们描述了一种新的反向映射方法，对从粗粒度模型中准确地生成生物分子的全原子结构具有重要的应用价值。.5）通过核磁片段筛选方法，我们发现烟酸和Hit 1化合物与SARS-CoV-2的主蛋白酶(Mpro)的催化口袋结合，从而适度抑制Mpro的酶活。表明基于片段的方法是一种可行的策略，可用于发现SARS-CoV-2潜在靶点的小分子药物。.6）PHF20L1的第一个Tudor结构域(Tudor1)识别(非)组蛋白甲基化，我们的研究揭示了Tudor的构象选择机制，对于“不可药”的PHF20L1 Tudor1的小分子抑制剂的发现具有重要意义。.7）另外发表一篇综述文章，总结了 NMR 在基于片段药物筛选中的 hit-to-lead 进化阶段的应用，包括片段库的构建、筛选方法、谱图处理和蛋白-配体结合模式等内容。