多发性骨髓瘤相关FAM46核苷酸转移酶家族的结构和功能研究

Multiple myeloma (MM) is a hematological cancer resulting from the accumulation of malignant plasma cells in the bone marrow. MM has relatively high incidence and death rate, and is thought to be incurable. FAM46C was demonstrated to be a tumor-suppressor gene specifically against MM. FAM46C protein encoded by FAM46C gene is a member of FAM46 protein family, which belongs to the nucleotidyl transferase superfamily. FAM46 proteins have no sequence homology to other known proteins and their biological function remains elusive. To understand the biochemical features of FAM46 protein family and reveal the molecular mechanism lying under the suppression of MM incidence and progress by FAM46C, we sought to solve the crystal structure of FAM46 family members, identify the reaction(s) they may catalyze, and unveil the catalytic mechanism. Next, we will study the impact of FAM46C on proliferation, migration and apoptosis of MM cells by cell-biology means, to verify its role in MM incidence and progress. We will then seek interaction partners of FAM46C to know the signaling pathway(s) that FAM46C may be involved in, or other biological events it may participate. The results of our research will enrich our knowledge of MM incidence and progress on the molecular level, and thereby contributing to early MM diagnosis and interference, and the development of novel molecular targeted therapies against MM, which eventually will bring substantial benefits to potential and diagnosed MM patients.

多发性骨髓瘤(MM)是浆细胞恶变而产生的血液肿瘤，发病率和致死率较高，目前仍无法治愈。FAM46C被发现是MM特异的抑癌基因。其编码蛋白FAM46C是FAM46蛋白家族的成员之一，后者属于核苷酸转移酶超家族。FAM46蛋白家族的一级结构没有与其他蛋白的同源性，具体生物学功能不详。为了明确FAM46蛋白家族的具体生化性质并探索FAM46C抑制MM发生发展的分子机制，我们拟解析FAM46蛋白家族成员的晶体结构，通过一系列生化实验揭示它们催化的生化反应并阐明其催化反应机制；此后，我们将研究FAM46C对多发性骨髓瘤细胞增殖、迁移和凋亡的影响，揭示其在MM发生发展中的具体作用，并通过寻找与FAM46C相互作用的蛋白，阐明其可能参与的细胞内信号通路。本项目的研究成果将为进一步了解MM发生发展的分子机制打下基础，从而有助于MM的早期诊断和干预以及分子靶向治疗手段的开发，使潜在的和诊断为MM的患者获益。

FAM46家族蛋白包含4个成员：FAM46A、FAM46B、FAM46C和FAM46D，目前均只在脊椎动物中被发现。在本项目开始执行前，关于FAM46家族蛋白的报道非常有限，仅从表象上提到了FAM46家族蛋白与部分人类疾病的关联性。其中，FAM46A与视网膜色素变性、乳腺癌、非小细胞肺癌、直肠癌、肝癌、脑胶质瘤相关，FAM46B和FAM46C与多发性骨髓瘤、狼疮肾炎等密切相关，FAM46D与自闭症、肺癌、睾丸癌等肿瘤有关。然而，关于FAM46蛋白的具体生物学功能和作用机制并不清楚。FAM46蛋白虽然被报道可能是一种核苷酸转移酶（nucleotidyl transferase，NTase），但由于NTase种类众多，且FAM46蛋白的一级结构与已知功能的其他蛋白均无明显相似性，因此对其具体生物学功能的研究较为困难。功能相似的蛋白虽然不一定有非常相似的一级结构，但一般会具有相似的三维结构。因此在本研究中，我们采用“结构-生化功能-生物学功能”的思路，通过解析FAM46蛋白的晶体结构，进而根据结构分析其生化功能并通过一系列实验加以证实，最终以其生化特性为基础阐明其生物学功能。在本项目中，我们解析了FAM46B、FAM46C的晶体结构，通过结构比对发现FAM46蛋白家族与细菌的多聚腺苷酸化酶（poly(A) polymerase，PAP）和tRNA末端CCA加成酶（CCA-adding enzyme，CCAse）相似。进一步生化分析证实FAM46家族蛋白具有PAP活性而非CCAse活性，是一类真核生物特有的非经典PAP。FAM46蛋白包含两个结构域：催化结构域和C端结构域，其催化结构域远大于所有目前已知的真核生物PAP。我们进一步通过定点突变结合生化实验，明确了FAM46B、FAM46C结合和催化RNA底物的关键位点。发现FAM46B在胚胎干细胞系中特异表达，并随着细胞分化的发生表达量急剧下降。进一步细胞实验证明FAM46B对胚胎干细胞的生存至关重要，敲低FAM46B后细胞凋亡水平显著上升。我们还证实FAM46C与多发性骨髓瘤相关的突变影响了其PAP活性，并对FAM46A和FAM46D的生化特性进行了探索。总的来说，我们的研究揭示了一个全新的真核生物PAP家族的结构和功能，并为今后研究FAM46蛋白与人类疾病发生的联系奠定了重要基础。