玻尿酸合成及跨膜转运的分子机理研究

The extracellular matrix provides structural support to the cell, aids in osmo-regulation, and is particularly important in mediating cell-cell interactions in soft connective tissues, such as cartilage and skin. A major component of the extracellular matrix is hyaluronan (HA), which is an extracellular linear polysaccharide containing alternating N-acetyl glucosamine (NAG) and glucuronic acid (GA) residues. HA, as one of the marine polysaccharides, affects many physiological processes, from cell adhesion and migration to cell differentiation and embryological development. Because of its broad impact on human physiology, a large number of pathological conditions, including many forms of cancer, autoimmune diseases, inflammatory processes, and rheumatoid arthritis, correlate with altered expression levels of HA. HA is also a common ingredient in skin-care products due to its unique capacity in retaining water. On a molecular level, HA is produced inside the cell by the membrane-embedded hyaluronan synthase (HAS). HAS is a remarkable enzyme. It not only catalyzes the synthesis of HA from UDP-activated substrates, but also transports the growing polymer across the cell membrane to deposit it within the extracellular matrix. To understand how HA exerts its physiological function and to produce HA polymers with defined properties for biomedical or industrial applications, we propose to study the mechanism by which HAS synthesizes and secretes HA with structural biological, biochemical and biophysical approaches. This research could also improve the biosynthesis study of other marine polysaccharides.

海洋蕴藏着丰富的多糖资源，这些多糖分子具有重要的工农业和医药学价值。玻尿酸（又称透明质酸）作为一种重要的海洋多糖分子，是由玻尿酸合成酶合成的,由葡萄糖醛酸和乙酰葡糖胺构成的多聚糖，在细胞内合成然后转移到细胞外，主要分布在细胞外基质中，研究表明玻尿酸在胚胎发育，细胞增殖和分化中具有重要作用，并与恶性肿瘤的迁移有关。除此之外，由于出色的锁水功能，玻尿酸还被广泛应用于化妆品中。尽管玻尿酸发挥重要的生理作用并且玻尿酸合成酶已被发现20余年，有关玻尿酸合成与跨细胞膜转运的分子机制仍然了解的很少。本项目拟以一种来源于绿藻病毒的玻尿酸合成酶为研究对象（前期的研究表明该酶既可以合成又能够跨膜转运玻尿酸），综合运用结构生物学，生物化学和生物物理学的研究技术，揭示玻尿酸合成和跨膜转运的分子机理以及两者之间的耦联机制。同时该项目的研究结果可被应用于其他海洋多糖合成酶的研究中，促进海洋多糖分子生物合成领域的发展。

海洋蕴藏着玻尿酸、几丁质等重要多糖资源，但是这些多糖资源的生物合成机制了解的很少，同时现代生物技术近几年发展迅速，项目充分运用了纳米抗体等现代生物技术，围绕玻尿酸合成酶合成及跨膜转运玻尿酸的分子机制开展研究工作，大部分的研究计划和研究目标均已按时完成。结合纳米抗体技术，解析了5种不同功能状态时玻尿酸合成酶的结构，通过不同状态时结构的比对、生化分析及分子动力学模拟研究发现玻尿酸合成酶通过水解尿苷二磷酸-乙酰葡糖胺去掉尿苷二磷酸，起始玻尿酸的合成，由于空间位阻效应，乙酰葡糖胺和葡萄糖醛酸两个底物将交替连接形成玻尿酸，并通过由跨膜螺旋组成的跨膜通道转移至胞外。在项目实施过程中，项目组建立了完整的鲨鱼源纳米抗体制备平台，并将其应用到多种重要蛋白的纳米抗体制备中，同时将玻尿酸合成酶的研究经验应用到几丁质合成酶研究中，并取得了重要进展，表达纯化了具有活性的几丁质合成酶。项目共发表研究论文2篇，授权专利1项，申请专利2项，项目培养博士及硕士研究生6名，其中2名硕士研究生已经毕业。