人体抑癌蛋白AZ1调控肿瘤相关小分子多胺合成限速酶ODC的机理研究

Polyamines (putrescine, spermidine and spermine) are widely used in nearly all prokaryotic and eukaryotic cells. Polyamines are essential for normal cell growth and differentiation whereas excessive polyamines are involved in neoplastic transformation and cancer development. Ornithine decarboxylase (ODC) catalyzes the first and rate-limiting step of polyamine biosynthesis in mammals, the decarboxylation of ornithine to putrescine. Antizyme1 (AZ1) is induced by increased polyamines in a unique ribosomal frameshift mechanism and can inactivate ODC after binding in high affinity and deliver it to the 26S proteasome for degradation in an ubiquitin-independent manner. Elevated ODC activity is associated with many cancers, such as leukemia, colon, skin and prostate and functions as a proto-oncoprotein. In contrast, expression of AZ1 shows anti-tumor activities and functions as a tumor suppressor. However, the mechanisms of how AZ1 binds ODC and how this binding inactivates ODC activity and enhances its degradation in 26S proteasome remain unclear though both proteins have been identified for around 40 years. The main reason may be due to the lack of the three-dimensional structure of ODC-AZ1 complex. In this proposal, we will mainly employ the tools of structural biology to decipher the three-dimensional structure of ODC in complex with AZ1 and address these unresolved mechanisms. Elucidation of these mechanisms may shed light on the molecular basis of inactivation of proto-oncogene by tumor suppressor.

多胺广泛分布于生物体内，参与调控许多重要生物过程。多胺代谢异常与肿瘤转化生成，器官发育异常，衰老及免疫功能紊乱密切相关。鸟氨酸脱羧酶 （ODC）是多胺合成的第一步。在许多肿瘤中，多胺浓度与ODC表达明显增高，目前研究认为ODC属于原癌蛋白。多胺浓度的增高能够诱导抗酶蛋白1（AZ1）的表达。在体内AZ1能够识别结合ODC，并进而抑制其酶原活性，还能够加速ODC被26S蛋白酶体复合物所降解。因此目前研究认为AZ1为抑癌蛋白。但AZ1如何识别结合ODC，结合后如何灭活ODC活性，并促使其在26S蛋白酶体复合物所降解的分子机制并不清楚，这主要是由于缺乏AZ1与ODC复合物的三维结构。本计划书的研究目标是，主要利用结构生物学技术解析AZ1与ODC复合物的三维大分子晶体结构，从而阐明这些分子机制，为抑癌蛋白如何灭活原癌蛋白提供重要的科学依据。

多胺广泛分布于生物体内，参与调控许多重要生物过程。多胺代谢异常与肿瘤转化生成，器官发育异常，衰老及免疫功能紊乱密切相关。鸟氨酸脱羧酶 （ODC）是多胺合成的第一步。在许多肿瘤中，多胺浓度与ODC表达明显增高，目前研究认为ODC属于原癌蛋白。多胺浓度的增高能够诱导抗酶蛋白1（AZ1）的表达。在体内AZ1能够识别结合ODC，并进而抑制其酶原活性，还能够加速ODC被26S蛋白酶体复合物所降解。因此目前研究认为AZ1为抑癌蛋白。但AZ1如何识别结合ODC，结合后如何灭活ODC活性，并促使其在26S蛋白酶体复合物中降解的分子机制并不清楚，这主要是由于缺乏AZ1与ODC复合物的三维结构。本计划书的研究目标是主要利用结构生物学技术解析AZ1与ODC复合物的三维大分子晶体结构，从而阐明这些分子机制，为抑癌蛋白如何灭活原癌蛋白提供重要的科学依据。.本研究项目成功解析出两种ODC与AZ1的蛋白复合物晶体三维结构，分别为在辅酶PLP结合状态下的ODC及缺乏辅酶PLP结合状态下的ODC。从原子水平较深入的研究了AZ1与ODC的结合分子机制，并进而阐释了AZ1结合ODC后如何抑制ODC的酶活性及如何促使其在26S蛋白酶体中降解的分子机制。由于ODC是原癌蛋白，AZ1为抑癌蛋白，成功解析出的AZ1与ODC蛋白复合物三维结构将为抑癌蛋白如何灭活原癌蛋白奠定坚实的实验依据，并且本项目所报道的复合物结构可能会为基于结构进行的针对ODC的小分子抑癌药物的设计提供重要的模板参考信息。.除AZ1之外，在人体内还包括AZ2与AZ3。其中AZ1与AZ2存在于多种人体组织中，但AZ2基因的转录水平较AZ1明显低下，具体机制不清。有趣的是研究发现在体外，AZ1能够抑制ODC的活性、加快ODC的降解及抑制多胺的转运，但AZ2只能抑制ODC的活性及多胺的转运，并不能加快ODC的降解。为了研究这种现象的分子机制，我们组装、纯化并获得了ODC与AZ2在辅酶PLP结合状态下的复合物晶体，该复合物的结构解析正在进行中。期望通过对该复合物ODC-PLP-AZ2的三维结构解析，我们能够阐释为什么AZ2在体外不能加快ODC的降解，进而加深理解ODC的分子降解机制及调控。