铜锌超氧化物歧化酶作为一种基因调控蛋白的化学研究

A class of regulatory proteins found in microbial species is activated by metal ions and controls gene expression by responses to environmental reactive oxygen species (ROS) levels, which is recognized as metalloregutory proteins. The metalloregulatory proteins similar to this class of microbial regulatory proteins have not been reported so far in control of gene expression in animal and plant, although ROS levels are always changed in their cells. Copper zinc superoxide dismutase (SOD1) occurs widely in animal and plant cells, and is always recognized as a kind of antioxidant enzymes in maintenance of intracellular ROS homeostasis since its finding. However, some properties of and structural features of SOD1 are similar to those of microbial metalloprotein proteins. Moreover, this enzyme is sensitive to changes in intracellular ROS levels, and binds DNA. Thus, we postulate that SOD1 is a metalloregulatory protein in animal cells by response to intracellular changes of ROS concentrations. In order to support this postulation, we shall perform research at many levels including localization of SOD1 in live cells, sequence-specificity and energy of DNA-SOD1 interactions, confirmation of the controlled genes, and crystal and solution structures of DNA-SOD1 complexes. Thereby, a new metalloregulatory protein could be found in animal cells, and its regulatory pathway could be understood in expression of the genes responsive to intracellular ROS. This study could not only enable SOD1 to change into an important target in drug design, and find correlations between SOD1 and ALS, but also produce a new bioinorganic field.

在微生物界发现了一类感应环境中活性氧变化的依赖于金属离子的基因表达调控蛋白，即金属调控蛋白，然而动植物细胞中的活性氧也不断变化，却还未见报道类似的金属调控蛋白。铜锌超氧化物歧化酶(SOD1)广泛存在于动植物细胞中，一直被认为是一种抗氧化酶，维持胞内活性氧内稳态。然而，该酶的许多性质和结构特征与微生物的金属调控蛋白类似，能感应胞内活性氧浓度的变化，与DNA结合，故我们提出SOD1是一种感应胞内活性氧变化的金属调控蛋白。本申请项目拟在不同氧化还原条件下，从SOD1的活细胞内定位、与DNA结合的序列特异性和能量、被调控功能基因的确认、二者复合物的结构等层面系统研究该酶与DNA的相互作用，期待在动物细胞中发现一种新型感应胞内活性氧变化的金属调控蛋白及其基因表达调控途径。该工作不仅能使该酶成为针对重大疾病进行药物设计的重要靶标，找到该酶和渐冻症之间的联系；而且可能产生一个新的生物无机化学研究领域。

铜锌超氧化物歧化酶(SOD1)自从1969年被现以来，已过去了50多年。对SOD1功能的研究不断有新的发现，从最初作为胞内抗氧化酶，到调控胞内一些信号通路，到与神经退行性疾病脊髓侧索硬化症(渐冻症)的发生发展相关联，再到作为一种响应胞内活性氧水平改变的基因表达调控蛋白。.系统研究人类细胞内SOD1与DNA结合及其对基因表达的调控、分析胞内SOD1参与的蛋白相互作用与基因调控的关系、研究DNA-SOD1相互作用对胞内金属离子内稳态的调控、探究SOD1调控ROS信号网络选择杀死癌细胞的机理，对于我们理解SOD1的未知功能和SOD1在相关疾病的发生和发展中的作用具有重要意义。.通过整合ChIP-Seq和mRNA-Seq数据，研究了人类细胞中SOD1与DNA结合及其对基因表达的调控。结果表明人类基因组中存在大量的SOD1结合位点，DNA-SOD1相互作用可以调控大量功能基因的表达，其中有涉及神经系统发育和癌症的基因；核内SOD1偏向于和含有GGA的DNA序列结合，ROS水平上升削弱溶液和细胞中DNA-SOD1的相互作用。这首次证实了人类细胞中SOD1也是一种ROS响应型金属调控蛋白，SOD1与DNA结合可能调控癌症和ALS的疾病过程。.应用免疫共沉淀和蛋白质组学方法，鉴定了细胞核和细胞质中SOD1相互作用的蛋白，分析了H2O2对核内SOD1蛋白相互作用的影响，以及核内SOD1蛋白相互作用对调控基因表达的影响。与细胞质相比，细胞核内SOD1与更多的蛋白质结合，并影响癌症、细胞生长、细胞死亡、神经系统相关的过程。我们还发现正常和氧化条件下细胞核内SOD1与CAT、Prx、Trx的相互作用，表明SOD1可能和抗氧化酶形成复合物与DNA结合，保护基因组，使相关基因的表达不受影响。.由整合ChIP-Seq和mRNA-Seq数据，分析了SOD1与DNA结合对胞内金属离子内稳态的影响，发现SOD1与DNA结合可以调控部分金属离子转运蛋白的表达，如Zn2+、Cu2+、Ca2+的转运蛋白等；SOD1敲低触发下游的金属离子应激响应。.总之，我们揭示了人类细胞中SOD1的一种新功能：作为响应ROS的金属调控蛋白，可能以抗氧化酶复合物的形式与DNA结合，保护基因组，维持功能基因的正常表达。这种调控作用涉及癌症和ALS等疾病的发生与发展。