紫外线引起的人眼γD晶状体蛋白点突变及白内障机理研究

Pathological studies of humans and animals have suggested that ultraviolet (UV) radiation is one of the primary causal factors in cataractogenesis, which involves misfolding of γD-crystallin (and its subsequent aggregation) due to direct and indirect UV damage to the aromatic residues (i.e., point mutations) that are main UV absorbers in the protein. Despite extensive studies on this UV-induced cataract formation in recent years, little is still known on its underlying molecular mechanism. This proposal aims to systematically study this important process at molecular level with large scale molecular dynamics simulations. The main aims/projects include: (i) molecular mechanism of the impairment of folding and stability of γD-crystallin due to UV-induced tryptophan to kynurenine mutations; (ii) dimerization and polymerization of the mutated γD-crystallin and its key residues responsible for aggregation; (iii) the importance and difference of the homologous β-hairpin tyrosine pairs (from both N-terminal and C-terminal domains) and its UV-damaged mutants in contributing to the overall protein stability; and (iv) virtual screening of drug candidates to "cover" the partially unfolded protein (hydrophobic patches on the C-terminal domain), thus to delay or inhibit the aggregation process. The success of this proposal will not only deepen our understanding of the molecular mechanism of UV-induced cataract formation, but also help develop drugs for the prevention and treatment of the disease. In addition, our current study of cataracts can also help shed light on the pathogenic mechanism of other protein conformational diseases.

通过对人和动物的大量病理学实验，人们发现紫外线照射是引起年龄相关性白内障的一个主要原因：紫外线会直接或间接破坏眼晶状体核心主要组成部分γD晶状体蛋白中的芳香族氨基酸（使其发生突变）而严重损伤其稳定性，并诱发误折叠、积聚，最终致病。针对紫外线诱发白内障的研究已进行多年，但是人们对于紫外线引起的相关蛋白点突变及白内障分子机理仍所知甚少。本项目利用分子动力学模拟方法，从分子水平对这些问题进行系统研究。主要研究内容包括：紫外线引起色氨酸→犬尿氨酸突变对蛋白稳定性的影响；误折叠蛋白（突变后）的积聚过程及物理机制；位于两结构域界面上的β发夹上的同源"酪氨酸残基对"对于蛋白稳定性的作用；虚拟筛选药物分子以"覆盖"部分解折叠的蛋白疏水靶点，从而延缓或抑制其积聚过程。本项目的成功实施可以从更深层次阐明紫外线诱发白内障的分子机理，并发展预防和治疗白内障的方法,同时也能够帮助了解其它蛋白质构象疾病的致病机理。

通过大量的病理学实验，人们发现紫外线是引起白内障的一个重要原因：紫外线会直接或间接引起眼晶状体核心中的主要组成部分γD晶状体蛋白中的芳香族氨基酸发生突变而严重损伤其稳定性，并诱发蛋白误折叠、积聚，最终致病。然而，人们对紫外线引起的γD晶状体蛋白点突变及白内障分子机理仍所知甚少。本项目运用大规模分子动力学模拟方法，对相关问题进行了系统研究。我们发现，紫外线引起的色氨酸（Trp）→犬尿氨酸（KN）突变显著降低了γD晶状体蛋白的稳定性：KN比Trp更亲水，可吸引更多的水分子和极性残基对蛋白关键位点进行攻击，从而引起原本非常稳定的“Tyr－Trp－Tyr”三明治状结构发生大的涨落，并由此破坏了稳定蛋白结构的两个相邻希腊钥匙模体Tyr角落的关键氢键网络，引发蛋白的去折叠。通过系列Tyr→Ala突变研究发现蛋白Ｎ端中的模体2的稳定性取决于域间的疏水界面，而Ｎ端的模体１和Ｃ端的模体３和４的则主要受制于域内的疏水核心。Y45A/Y50A和Y133A/Y138A突变分别会破坏由阳离子－π相互作用所形成的稳定的Y45－R79－Y50和Y133－R167－Y138三明治结构，由此破坏了域间或者域内的疏水核心，进而引发蛋白的部分或全域去折叠。同时，我们发现小分子羊毛甾醇的强疏水性使其能迅速的结合到了蛋白结构域的疏水性界面上，从而严密保护Ｎ端希腊钥匙模体２的结构，增强Trp→KN突变型γD晶状体蛋白的稳定性。另外，在研究Trp→KN突变型蛋白二聚化的过程中，我们发现C端的一个强疏水区域（Tyr-144, Leu-145, Met-157）与另一条单体N端疏水团簇Phe-5, Tyr-10, Tyr-15之间较强的疏水相互作用引导了蛋白的二聚化，并形成了较为稳定的疏水界面。该区域有可能作为研发相关预防和治疗药物的重要靶点。我们的系列研究厘清了γD晶状体蛋白两个结构域各自的结构稳定特异性，关联性以及决定因素；同时还成功捕捉到了Ｎ端去折叠而Ｃ端保持较好的积聚中间体，并揭示了二聚化机理。相关成果有助于人们更深入理解紫外线辐射引发白内障的分子机理，为今后理性设计相关预防治疗药物奠定了重要的科学基础。