脯氨酸羟化酶复合物在胶原合成过程中的分子机制研究

As the most abundant protein in the human body, collagen is crucial in maintaining the structural integrity of tissue and organ. Their structural dysfunction are associated with many diseases, such as tissue fibrosis due to excessive accumulation of collagen, and osteogenesis imperfecta due to structural disorder of collagen. Recent studies have shown that a proline hydroxylase ternary complex (P3H1 / CRTAP / CypB), with chaperone function and modifying enzyme activity in collagen synthesis, is essential for proper collagen folding. Defects in this complex often lead to diseases such as osteogenesis imperfecta. We have now solved the crystal structure of the hydroxylase domain of P3H1 and found that it has a relatively unique substrate binding pocket. Based on these findings, this project will focus on the molecular mechanisms how the proline 3-hydroxylase complex specifically modifies residue Pro986 in collagen and how this ternary complex assembles in facilitating collagen folding. This will clarify how the complex modifies collagen and how it promotes collagen folding. The results of this study will shed light on how to design and select agents targeting fibrosis and osteogenesis imperfecta and other collagen related disorders.

胶原蛋白是人体内含量最多的蛋白质，起着维持组织和器官结构完整性的作用。它们的结构功能异常与多种疾病有关，比如组织中胶原蛋白的过量堆积会导致纤维化疾病，而胶原蛋白合成不足或者结构紊乱会引起成骨不全及骨质疏松。最新研究发现，一个既具有分子伴侣又具有修饰酶作用的脯氨酸羟化酶三元复合物（P3H1/CRTAP/CypB）参与了胶原蛋白的合成，且对胶原的正确折叠至关重要。该复合物功能的缺损会引起成骨不全症等疾病。我们最近解析了该复合物中P3H1羟化酶结构域的晶体结构，发现它具有一个相对独特的底物结合口袋。本项目将在此工作的基础上，着重研究该脯氨酸3-羟化酶复合物特异性地羟化胶原蛋白986位脯氨酸的分子机制，并尝试解析该三元复合物的三维结构，阐明该复合物调节胶原分子折叠的机制。这项研究结果将为如何调节胶原蛋白的生成提供理论依据，对设计抗组织纤维化和成骨不全等疾病的药物具有重要的指导意义.

胶原蛋白是人体内含量最多的蛋白质，起着维持组织和器官结构完整性的作用。它在内质网中的折叠和组装需要多种辅助蛋白的参与，如脯氨酸 3-羟化酶（P3H）、脯氨酸 4-羟化酶（P4H）、分子伴侣 HSP47 等。其中脯氨酸 3-羟化酶复合物（P3H1/CRTAP/PPIB）可以特异性地羟化 I 型胶原 α1 链 986 位的脯氨酸，同时该复合物还具有二硫键异构酶和脯氨酰顺反异构酶的活性。大量临床研究发现该复合物中任一组分的缺失均会导致胶原蛋白的错误折叠和成骨不全症（OI）的发生。然而 P3H1 复合物中这三个蛋白如何相互作用并定位于内质网中的分子机制并不清楚，且该复合物特异性地 3-羟基化胶原的结构生物学机制也未明确。基于此，本项目着重研究：1. 该脯氨酸 3-羟化酶复合物特异性地羟化胶原蛋白 986 位脯氨酸的分子机制；2. P3H1 羟化酶三元复合物组装并协同帮助胶原蛋白分子折叠的分子机制；3. 筛选特异性抑制 P3H1 羟化酶活性的小分子化合物并研究其作用机制。在后续实验当中，我们完成了：1. 解析P3H1 的羟化酶结构域的三维晶体结构；2. 通过Mpeg修饰实验和化学交联实验，分析得出P3H1/CRTAP/CypB复合物的组装模式；3. 初步找到能够特异性地结合 P3H1 复合物或者 P3H1 的羟化酶结构域的含有 986位脯氨酸的胶原短肽，正在尝试获得多肽复合物的结构，阐述具体的羟化酶结构域和胶原多肽的相互作用的机制。综合以上研究结果，脯氨酸 3-羟化酶催化功能域的晶体结构为我们理解其特异性羟化胶原蛋白 986 位脯氨酸提供了线索，三元复合物组装模型则为我们进一步了解三元复合物在胶原合成过程中的作用机制奠定了基础。