基于分子模拟和体外定点突变技术的单核苷酸多态性核受体与类固醇类内分泌干扰物作用的分子机制研究

Single-nucleotide polymorphisms (SNPs), as the most common form of human genetic variation are the key factor for the increasing of susceptibility to environment chemicals, which is now considered as the inducement of lots of diseases for the different individuals. Especially for the non-synonymous SNPs (nsSNPs) existing in the site of gene coding region, it generally leads to single nucleotide mutation of the encoded protein, and are likely to be an important factor contributing to the structure and functional diversity of encoded proteins in the human population. In the present project, we attempt to apply molecular docking and site direct mutation technologies to analysis the interaction modes between several endocrine disrupting chemicals （EDCs）and their receptors, including estrogen receptor, androgen receptor and thyroid hormone receptor in wide and mutant type. The approach allows us to evaluate the response of endocrine disrupting chemicals to the corresponding receptors by theory and experiment ways, as well as potentially provide insights into possible mechanisms underlying how SNPs may react very differently with the wide and mutant proteins. The project can help us identify the risk levels of EDCs to different individuals on a comprehensive evaluation, considering that the SNPs may confer an individual susceptibility to initiate diseases and affect the response to endocrine disrupting chemicals.

单核苷酸多态性（SNP）是造成不同个体对环境化学物质易感性增大，导致疾病产生的重要生物学因素。发生在基因编码区的非同义单核苷酸多态性（nsSNP）造成编码蛋白的氨基酸突变，引发蛋白质结构功能的改变。研究nsSNP编码蛋白与环境物质的相互作用，对于全面评价环境物质的致病效应非常重要。本项目拟以分子模拟和体外定点突变为核心技术，分析突变型及野生型核受体蛋白（包括雌激素受体、雄激素受体及甲状腺激素受体）分子体系与类固醇内分泌干扰物相互作用模式；评估氨基酸残基突变所导致的环境物质与野生型及突变性受体结合的活性差异，揭示其结构与功能的关系，探讨nsSNP编码的核受体与类固醇类内分泌干扰物相互作用的分子机制。项目的开展将为精确识别导致疾病发生的环境化学因素和暴露的危险度、全面评价内分泌干扰物的生物效应提供一条可行的途径。

项目背景：.单核苷酸多态性（SNP）是个体对环境化学物质易感性增大，导致疾病产生的重要生物学因素。发生在基因编码区的非同义单核苷酸多态性（nsSNP）造成编码蛋白的氨基酸突变，引发蛋白质结构功能的改变。研究nsSNP编码蛋白与环境物质的相互作用，对于全面评价环境物质的致病效应非常重要。.主要研究内容：.本项目拟以分子模拟和体外定点突变为核心技术，结合理论计算与实验验证，分析突变型及野生型核受体蛋白（包括雌激素受体、雄激素受体及甲状腺激素受体）分子体系与类固醇内分泌干扰物相互作用模式, 评估关键氨基酸残基变化等所导致的活性差异，探讨nsSNP编码的核受体与类固醇类内分泌干扰物相互作用的分子机制。.研究成果：.1. 通过对包含DNA结合区、Hinge区和配体结合区的雌激素受体多个结构域进行同源模建，将双酚A分别对接到野生型、K303R和Y537N突变型雌激素受体中，利用分子动力学模拟方法对三个体系进行结构模拟和结果分析。研究结果表明：在多个域的雌激素受体结构中，双酚A主要通过配体结合区和DNA结合区构象的变化，影响域-域之间的信息传递，从而影响转录活性。K303R和Y537N位点突变使得配体结合域间的二聚化作用增强；造成配体结合域与DNA结合域界面间的氢键相互作用增强；进而使DNA结合区与DNA的结合活性增强；最终导致双酚A的易感性增强。本研究探讨了雌激素受体单核苷酸多态性对双酚A易感性的分子机制，为核受体超家族其他蛋白进行多个域的结构研究以及对环境物质易感性的作用机制提供理论指导。.2. 通过对蛋白体系进行分子动力学模拟，在分子水平上对甲状腺激素受体野生型蛋白及由单核苷酸多态性所诱导的甲状腺激素受体突变蛋白进行分析与对比研究。研究发现：单核苷酸多态性突变蛋白相较于野生型甲状腺激素受体蛋白，结构不稳定且整体浮动性较大；相较于野生型蛋白，突变体系中柔性较强的区域均分布在疏水性结合口袋周围的α7、α8 和 α11螺旋结构上；单核苷酸多态性突变位点均可以导致结合口袋发生结构变化，使得其相应空腔表面面积与体积增大，蛋白上α11螺旋向外偏移，甲状腺激素与甲状腺激素受体之间的氢键减弱或消失，这是导致甲状腺激素与甲状腺激素受体间的亲和力下降或消失的直接原因；通过分子动力学模拟方法，所获得的甲状腺激素与突变蛋白体系间的结合模式变化趋势与实验数据吻合，证明分子动力学模拟方法的可靠性。