Ras蛋白在溶液中构象动态的核磁共振研究

The Ras proteins are a class of small GTPases delivering signals received from cell surface receptors to several downstream intracellular signaling pathways, which ultimately turn on genes essential for cell growth, differentiation and survival. The activity of Ras proteins in vivo is tightly controlled by the binding of guanosine nucleotides (GTP and GDP). Certain mutations, however, can generate overactive Ras signaling that will ultimately lead to cancer. Recent studies showed that the activated Ras proteins are highly dynamic on multiple time scales, which mechanistically could be related to their tumorigenic roles. Despite of extensive studies on the Ras oncogene family over the past decade, the details of Ras conformational dynamics at the atomic level are still not fully understood. In this proposed research, we will use the cutting-edge NMR methods, complemented by computational modeling, to investigate the atomic-resolution dynamics of Ras proteins in solution, and quantitatively compare the wildtype Ras with oncogenic mutants. This work is expected to provide insights into the intrinsic dynamic nature of Ras, and lay the foundation for anti-cancer drug development targeting Ras proteins.

Ras蛋白质是细胞内一类重要的小GTP酶分子，负责将细胞表面受体接收到的信号传递给下游信号通路，从而开启一系列涉及细胞生长、分化、凋亡的相关基因。在生理条件下Ras的活性受与其结合的鸟嘌呤核苷酸（GTP和GDP）的调控，然而某些特定位点的突变可产生过度活化的Ras，导致细胞生长分化的失控并最终造成细胞癌变。近年来的研究表明活化状态下的Ras蛋白具有高度的构象柔性，存在不同时间尺度的构象运动。而这种运动性与Ras的致癌性之间有着重要的潜在联系。尽管在过去十几年中人们对Ras癌基因蛋白家族做了大量研究，但对Ras在原子水平上构象运动的细节仍知之甚少。在本项目中，我们将运用最新的核磁共振波谱方法和计算建模在原子分辨率下表征Ras蛋白的构象动态，并在野生型Ras蛋白和致癌性突变体之间做定量的比较性研究。这项工作将从原子水平上系统刻画Ras蛋白的动力学属性，并为针对Ras的抗癌药物研发奠定理论基础。

作为级联信号转导通路的中枢分子，Ras蛋白活性的改变往往可导致细胞生长分化的失控，并与约30%的人类恶性肿瘤发生密切相关。尽管Ras蛋白长期以来被认为是重要的抗癌药物设计靶标，但其基态结构表面光滑，缺乏明显的可成药位点，也因此长期阻碍了针对性的小分子抑制剂开发。近年来越来越多的研究表明Ras蛋白在不同时间尺度具有高度的构象柔性，并可产生与基态迥异的低布居数瞬时构象。为了在原子水平上定量刻画Ras蛋白的构象动态学属性，并揭示其与配体识别等关键功能间的关联，在本项目中我们运用多种基于自旋弛豫的核磁共振实验方法检测了该蛋白分子在微秒至秒等多个时间尺度下的构象动力学性质。我们成功捕捉到非活化态下Ras蛋白在微秒时间尺度的一项运动过程（交换相关时间为34微秒），并证实其与多种共价性和非共价性抑制剂分子作用位点的形成相关。此外，我们还进一步发展了一项可有效延长Ras天然活性态表观寿命的实验方法，并运用自旋弛豫方法和一项新发展的数字信号后处理技术获得其在毫秒时间尺度的协同构象动态网络。这项工作在原子水平上构建了Ras蛋白的构象动态学模型，并揭示变构抑制剂作用位点形成的机制，为抗癌药物分子的研发奠定了理论基础。