利用合成蛋白研究磷酸化和脂基化调控小G蛋白的机制

The Regulation of protein structure and function by phosphorylation-involved multiple modifications has being a significant scientific issue in biological processes. Acting as important “molecular switches”, small G proteins regulate a variety of important intracellular events. Among small G proteins, K-Ras4B and Rnd3 are closely associated with tumor generation, becoming important anti-cancer targets. However, the problems that how phosphorylation regulates the localization and function of lipidated K-Ras4B and Rnd3 protein remain unsolved. Thus, we intend to first synthesize phosphonate mimics of phosphoserine with cage groups, which have been applied to generate phosphorylated and lipidated K-Ras4B and Rnd3 proteins. Then, we plan to reveal the mechanism that how phosphorylation regulates the interaction between the lipidated K-Ras4B/Rnd3 and intracellular chaperone proteins as well as cellular membrane by using these synthetic modified proteins, which can explain the association between these protein post-translational modifications and human diseases. This project possesses scientific significance as well as application values. It takes the advantages of both chemistry and biology, which not only provides powerful tools for the study on phosphorylated and lipidated proteins but also intends to answer a series of issues on phosphorylation regulating K-Ras4B and Rnd3 proteins.

磷酸化参与的多种修饰共同调控蛋白质结构和功能是生命过程中的重要科学问题。小G蛋白是细胞内一类重要的“分子开关”，调控着多种重要生理活动，其中K-Ras4B和Rnd3蛋白与肿瘤的产生密切相关，是重要的抗肿瘤靶标。针对“磷酸化如何调控脂基化K-Ras4B和Rnd3蛋白在细胞内定位和功能”相关一系列问题，本项目拟合成含掩蔽基团的磷酸化丝氨酸膦酸盐模拟物，并应用于合成含磷酸基和脂基双重修饰的K-Ras4B和Rnd3蛋白。进一步结合多种生物学研究手段，拟利用所合成的修饰蛋白深入研究磷酸化对脂基化K-Ras4B和Rnd3蛋白与细胞内伴侣蛋白以及细胞膜相互作用的调控机制，进而阐释这些翻译后修饰的调控作用与疾病之间的关系。该项目充分体现了化学与生物学交叉的优势，不仅为磷酸化和脂基化蛋白的研究提供了有效工具，同时拟解答一系列关于磷酸化调控K-Ras4B和Rnd3蛋白的问题，具有重要的科学意义和应用价值。

蛋白质翻译后修饰（PTMs）是生命体中重要的生物过程，其参与了蛋白质的调节（改变蛋白质的结构，蛋白质在胞内的定位以及蛋白-蛋白相互作用）和许多细胞信号通路的调节。同时，大部分与癌症密切相关的蛋白，如：K-Ras4B、Rnd3蛋白，它们的翻译后修饰过程与肿瘤的发生发展以及信号调节密切相关。因此揭示翻译后修饰过程介导的蛋白-蛋白相互作用对于理解促进抑制剂发展的调控因素，皆具有重要的科学意义和应用前景。该项目围绕KRas4B、Rnd3蛋白质磷酸化和脂基化修饰开展了一系列工作，取得了以下主要研究结果：1）开发了非水解磷酸化丝氨酸/苏氨酸模拟物的高效合成策略，并应用于多肽及蛋白的合成; 2）开发了一种带有光保护基的膦酸化丝氨酸的合成方法，并应用于响应性膦肽组装体的构筑；3）发展了利用正电荷杯芳烃介导磷酸化多肽进行细胞内递送的方法；4）合成了磷酸化和脂基化的小G蛋白（如：Rnd3），探究这些翻译后修饰对小G蛋白与伴侣蛋白或细胞膜相互作用热力学和动力学的影响。部分研究进展已经以SCI论文的形式发表在了Chem. Sci.、Chem. Commun.、Org. Lett.、Org. & Biomol. Chem.、Soft Matter等刊物上，并申请了1项专利。