癌症抑制因子ARID4A蛋白家族的结构与功能研究

ARID4A and ARID4B are homologous cell cycle controlling proteins and cancer suppressors. Together with RB and mSin3A, they form a complex containing both gene regulation and epigenetic regulation functions, which is involved in suppressing cancers like leukemia, and regulating the male reproductive process as well as the epigenetics of several genetic diseases including Prader-Willi's syndrome. It has been demonstrated that ARID4A and ARID4B have functional similarities and differences, and they also exhibit a co-operative functional effect. However, the structual basis of their function and the mechanism of their interactions is currently very poorly understood. We have previously carried out structural investigations of several ARID4A domains involved in chromatin binding. In this project, we will use NMR and other techniques to study the structures and functions of ARID4A and ARID4B domains, and also the interaction networks of ARID4A and ARID4B to reveal the structural mechanism of their functional similarities, differences, and co-operative effects. Simultaneously, we will investigate the in vivo functions of different domains and the gene regulation pathway of the ARID4A homologue protein, ARID-1, in C. elegans. This study will provide insight into the relationship between structure and function for the ARID4A protein family, and will lay a foundation for exploration of novel molecular therapeutic targets for ARID4A/4B-related cancers.

ARID4A和ARID4B是同源的细胞周期调控蛋白和癌症抑制因子，与RB和mSin3A等蛋白形成了基因表达调控和表观遗传调控的复合物，参与白血病等癌症抑制、普拉德威利等遗传疾病以及雄性生殖过程的相关调控。研究指出，ARID4A和ARID4B在功能上既有重叠和互补，又有协同效应。目前人们还不清楚它们发挥功能的结构基础和相互作用机制。我们在ARID4A染色质结合结构域的研究上已取得一定进展。本项目中我们将使用NMR等手段深入研究ARID4A的基因抑制活性结构域和ARID4B各结构域的结构和功能，以及它们的相互作用网络，揭示它们在功能上的异同性和协同效应的结构机制。同时，还将以秀丽隐杆线虫的ARID4A家族蛋白ARID-1为对象，进行结构域的在体功能研究和基因调控通路研究。研究成果将使我们深入理解ARID4A家族蛋白的结构与功能的分子机制，为其癌症生物学的研究和潜在的药物研究提供新的线索和靶点。

本项目研究了肿瘤抑制相关蛋白ARID4A及其同源蛋白ARID4B的结构和功能。ARID4A和ARID4B蛋白都包含5个结构域，从N端到C端依次为：Tudor，PWWP, ARID, chromobarrel, R2D。我们之前的研究已解析了ARID4A的Tudor和chromobarrel结构域的结构，并研究了它们的功能。本项目使用NMR方法解析了ARID4A PWWP-ARID结构域复合物的溶液结构，并对它与ARID4A Tudor和chromobarrel结构域以及DNA、组蛋白等生物大分子的相互作用及其结构机制进行了深入研究。我们鉴定了ARID结构域的三个相互作用位点，分别与PWWP、Tudor和chromobarrel结构域相互作用。虽然该结构域被命名为AT-rich DNA相互作用结构域，研究结果表明它特异性识别GC-rich DNA序列。我们使用了NMR、ITC等方法测定了各相互作用的解离常数。在这些研究结果的基础上，我们提出了ARID4A与染色质结合的构象转换机制：当ARID4A处于自由态时，Tudor，PWWP和chromobarrel等三个结构域彼此之间没有分子内的相互作用，但都与ARID结构域相互作用，以ARID结构域为中心进行空间装配；在结合染色质时，由于与染色质更强的亲和力，各结构域彼此解离，识别并结合DNA及三甲基化的组蛋白尾巴。在ARID4B蛋白的研究中，我们发现其Tudor和chromobarrel结构域与ARID4A相关结构域性质、功能类似，但是其PWWP和ARID结构域的生化性质和功能则与ARID4A有显著的不同。.ARID4A和ARID4B是mSin3复合物和RB复合物的核心组分。这两种复合物在基因表达调控和表观遗传调控中都起着非常重要的作用。我们的结果表明ARID4A和ARID4B蛋白在这两种复合物与染色质的结合过程中提供必要的结合力和位点特异性。它们将提供至少六个结合位点，其中至少有四个位点具有GC-rich序列特异性或三甲基化赖氨酸位点特异性。每一个结合位点的亲和力都不是很强，解离常数在2 mM至2 μM间，有利于mSin3复合物和RB复合物与染色质之间的结合解离调控，从而为它们多种多样的功能提供结构基础。