内质网膜蛋白神经髓鞘调节因子调控髓鞘表达形成的分子机理研究

Myelin is a multilayer insulator wrapping around axons. The velocity of the propagated nerve impulse is greatly increased by it. Myelin deficiency will cause blindness, neuropathy, cognitive disruption, loss of dexterity, multiple sclerosis, etc. Recently, the studies show the generation of new myelin is important for learning motor skills. So far the molecular mechanisms responsible for controlling and regulating the production of myelin remain unclear. MRF (myelin gene regulatory factor) was found as a key transcription factor to regulate the myelin gene in the central nervous system. It is a membrane associated transcript factor that initiate expressed on ER membrane. The N-terminal fragment of MRF is released from the ER membrane after trimerizing and self cleavage at ICA domain, then, it moves into the nucleus to exert its transcriptional effects. This proposal plans to solve the crystal structures of MRF and the MRF complexes with its binding partners. The structural information, combined with biochemistry and cell biology study results, will help to discover the molecular mechanism of myelin expression and growth regulated by MRF. Our studies will provide the molecular basis and the new clues not only for the treatment of myelin related diseases such as multiple sclerosis etc. , but also for better understanding the processes of the brain developing and learning.

髓鞘包裹在轴突外面，可以极大地增快神经信号的传播速度。髓鞘的损坏会导致神经功能失常，引起认知障碍、视觉障碍、 肌肉无力、多发性硬化症等多种疾病。最近的研究发现新生的髓鞘是学习运动技能所必需。到目前为止，髓鞘表达调控的分子机理还不清楚。髓鞘调节因子(myelin gene regulatory factor, MRF)是中枢神经系统中与髓鞘表达调控密切相关的膜相关转录因子。它是内质网膜上的跨膜蛋白，它的N端膜外区可经自我剪切脱离内质网，进入细胞核，调控髓鞘基因表达。本项目申请拟通过解析MRF的N端结构域及其与底物的复合体三维晶体结构，结合生物化学及细胞学研究，揭示髓鞘基因表达调控的分子机理。另外我们也计划解析MRF的C端结构域的三维晶体结构，结合细胞学研究，发现它的新功能。我们的研究工作将为多发性硬化症等髓鞘相关疾病治疗提供新的思路和依据,为深入理解大脑发育及学习过程提供帮助。

MRF是中枢神经系统中调节少突神经胶质细胞基因表达的关键转录因子，与轴突上髓鞘（脑白质的主要组成）的生成和之后的维持变化以及运动的后天学习机能密切相关。但它是如何与DNA相互作用，调节相关基因的表达目前还不清楚。我们通过结构生物学研究，解析了MRF的DNA结合结构域及其与底物复合物三维晶体结构。我们从结构研究发现MRF的DNA结合结构域具有典型的S型免疫球蛋白折叠，属于Ig样转录因子家族。从我们解析的蛋白结构发现MRF的DNA结合结构域自身就可以形成同源三聚体，与之前的研究发现MRF转录激活需要同源三聚体的形成相一致。三维结构分析也揭示了在MRF的DNA结合结构域同源三聚体的形成中具有关键作用的氨基酸残基，并据此设计了突变，实验证实这些突变可以阻碍同源三聚体的形成。通过分析复合物晶体结构我们发现MRF与DNA作用的关键氨基酸残基，同时也证实MRF的确是以三聚体形式与DNA相互作用的。同源三聚体中的3个分子以三种不同的方式与DNA相互作用，并且DNA在结合MRF后发生了弯曲。从结构上看三聚体倾向于结合固定间隔串联的2个motif，这和最近刚刚发表在核酸研究杂志上的结果一致。我们首次解析了三聚体转录因子与DNA的结构，并首次揭示了它们作用的分子机理。另外我们还解析了对于MRF激活非常重要的它的自剪切结构域三维晶体结构。 MRF为表达在内质网膜上的膜蛋白，它的N端包括结合DNA的结构域位于胞质之中，只有从膜上释放后才能进入细胞核参与基因表达调控。 研究发现在MRF靠近膜的区域有一段序列与噬菌体的一个可以自我剪切的结构域同源， 这个结构域介导蛋白的自剪切，MRF是发现的首个有这种自剪切结构域的真核蛋白。依据我们解析的这个结构域的三维晶体结构，我们设计了一系列突变来检测它们对自剪切激活的影响。对突变蛋白的结构和功能分析揭示了在真核细胞中的一种可能的新的自剪切机理。