胶原蛋白甘氨酸突变导致成骨不全症的分子机制研究

Collagen, the single most abundant protein in the human body，plays a critical dual role. As a structural protein, it provides tensile strength to skin, bone, tendon and ligament; In addition, it is also highly bioactive.Type I collagen contains the characteristic (Gly-X-Y)n sequence pattern and triple helix structure. Even a single Gly mutation in Type I collagen leads to Osteogenesis Imperfecta(OI).The severities of OI vary in a wide range from mild cases with multiple fractures to perinatal lethal cases. The relationship of genotypes and phenotypes of OI is not well understood. Here we apply an integrated approach of Bioinformatics, NMR and CD to investigate the Gly substitutions in collagen at multiple levels including sequence, structure, dynamics, stability and function. Bioinformatics analysis of Gly-X mutations in Type I collagen will be performed to investigate the genotype/phenotype relationship of OI,while NMR and CD are ideally suited to elucidate the structural and dynamic bases of OI.In order to systematically decipher the molecular mechanism of OI, we will explore the effects of Gly substitutions by Ser and Arg as well as Gly substitutions near the integrin binding site. Understanding the role of the residues nearby a Gly mutation on the phenotypes of OI,will help develop novel diagnostic and therapeutic methods.

作为人体中含量最丰富的蛋白质，胶原蛋白扮演着重要的双重角色。一方面它作为结构蛋白, 为皮肤、骨骼、软骨和血管壁提供抗拉强度；另一方面,它具有高度生物活性。I型胶原蛋白具有特征性的（Gly-X-Y）n重复序列和三重螺旋结构，即使一个单一的甘氨酸突变也会导致成骨不全症（OI）。成骨不全症的表型差异很大，变化范围从轻度的骨质脆弱，到围产期致死病例；然而，成骨不全症的表型和胶原蛋白基因型之间的关系尚不清楚。本项目我们通过对胶原蛋白Gly突变的生物信息学，NMR和CD方法的整合研究，从序列，结构，动力学，稳定性以及功能等多个层面，全面解析成骨不全症的分子机制，重点阐明有代表性的Gly-Ser，Gly-Arg以及整合素结合位点附近的OI突变被其邻近序列调控表型严重程度的作用机制，有助于开发新的成骨不全症基因诊断和治疗的方法。

胶原蛋白是人体的关键结构蛋白，即使一个单一的甘氨酸突变也会导致成骨不全症。成骨不全症的表型差异很大，然而其具体的分子机制非常复杂，涉及胶原单链，三聚体和组装体等多个分子层面。本项目我们通过设计有代表性的甘氨酸突变模拟多肽，结合生物信息学，核磁共振和圆二色谱方法，从序列，结构，动力学，稳定性等多个角度，解析成骨不全症的分子机制。我们成功建立了一个更完整有效的决策树模型来阐明成骨不全症的基因型与表型的关系，该模型可以根据胶原突变位点的邻近序列准确预测成骨不全症的表型。我们发现，甘氨酸突变对胶原多肽三重螺旋结构和折叠速率的破坏程度与其成骨不全症的严重程度息息相关。我们还首次发现，中断序列可能帮助形成三聚体结构，而不是传统上认为的破坏三聚体的结构。.对胶原相关疾病的分子机制的深入研究，急需开发高效的检测方法。我们新建立的荧光方法只需要极少量的非同位素标记的样品，克服了传统方法的缺陷，可以更灵敏高效地检测胶原三重螺旋结构。我们构建的探针多肽，可以在nM水平，检测胶原多肽是否形成三聚体结构，并确定其精确的螺旋组成。我们还首次建立了高特异性的氧化石墨烯平台，可以检测非折叠状态和三重螺旋结构下的胶原肽。不仅如此，我们还首次建立了一个基于试纸的胶原三重螺旋结构的快速，廉价的检测方法。这些新颖的胶原检测方法，可以用于复杂生物样品的高灵敏检测。.我们还成功构建了一个新型的简单可控的胶原多肽自组装体系，可以用于胶原从单链到组装体全过程的深度研究。我们发现，胶原蛋白特异性的三重螺旋结构和氨基酸重复序列可能赋予胶原蛋白作为生物模板的独特优势。总之，我们深度解析了胶原蛋白甘氨酸突变导致成骨不全症的分子机制，建立了胶原蛋白三重螺旋结构的新型高效的检测方法，并且构建了胶原肽自组装仿生体系，为我们进一步深度研究胶原疾病的发病机制和诊断策略提供了强大工具，为纤维增生性疾病的早前检测与治疗提供了新的思路。