重要癌症转移促进因子Talin蛋白的自抑制机制研究

Cancer is a leading cause of death worldwide and, hence, is a hot spot of the fundamental biological studies. Metastasis is the major cause of death from cancer, with a ratio of 90%. Recently, Talin was discovered to be one of the important promoters of metastasis, with high expression level in advanced cancer cells. The loss of talin will lead to a diminished in vivo metastatic ability. In normal cells, Talin functions as an activator of integrin, one of the important cell adhesion molecules, inducing an inside-out signaling. Integrin is involved in a series of normal physiology related to extracellular matrix, as well as abnormal pathology, including metastasis. When not bound to integrin, Talin is in an autoinhibition state, meaning a direct interaction between its N-terminus and C-terminus. However, only limited details of this autoinhibition are known already. This project will aim the autoinhibition mechanism of Talin, using biophysical means, such as protein crystallography, cryo-EM, small angle x-ray scattering, and dynamic light scattering, as well as biochemical and cell biological ones. If a breakthrough can be made in this project, there will be a possibility to provide new ideas for investigations on metastasis and an approach to novel therapy on metastasis.

癌症作为疾病中排名首位的健康杀手，一直都是基础生物学的研究热点之一。在癌症致死的原因中，癌症转移是最为主要的，占90%。近年来的研究发现，Talin蛋白是癌症转移的重要促进因子之一，在晚期癌症组织的细胞中有极高的表达水平，而一旦缺失就能令癌细胞丧失转移的能力。在正常细胞中，Talin作为一种活化因子，能够激活整合素这种重要的细胞粘着分子，实现由内而外的信号转导。整合素参与了与细胞外基质相关的一系列正常生理活动，以及非正常的病理活动，其中就包括癌细胞的转移。Talin在不结合整合素时，处于一种首尾结合的自抑制状态。然而目前对该自抑制状态及其调控机制的了解非常有限。本项目致力于通过蛋白质晶体学、冷冻电镜三维重构、X射线小角散射、动态光散射等一系列生物物理学手段，结合生物化学及细胞生物学手段，研究Talin自抑制的机制，揭示Talin自抑制的调控作用，从而为阻断癌症转移提供新的研究和治疗思路。

Talin 能够激活整合素(integrin)，同时作为连接细胞骨架与跨膜受体整合素的桥梁，在细胞黏附、迁移等过程中发挥着关键的调控作用。整合素的激活反应是通过Talin-FERM 结构域的F3结合整合素beta亚基的胞内尾段来完成的，这是其活化状态。但是在胞浆内，Talin通常呈所谓的自抑制状态，其整合素结合位点被Talin靠近C端的棒状结构域覆盖。然而，这一自抑制状态的解除机制一直不明晰，特别是缺少结构信息。在本项目的研究中，我们首先解析得到了Talin-F2F3与C端Talin-RS结构域的复合物结构，即所谓的自抑制复合物。该结构显示，在自抑制状态下，整合素结合位点F3 与其尾部片段Talin-R9(1654～1822 a.a.)结合，此时整合素不能被活化。而且根据结构呈现的表面电势，我们发现了一种双重抑制的调控机制，即talin-RS不仅从空间上掩盖了talin的整合素结合位点，并且利用自身负电荷密集的表面阻碍talin头部结构域靠近细胞膜。在Talin全长结构的电镜研究中，我们遇到了很大的困难，主要是Talin自抑制状态的二体结构无法承受冷冻制样的巨大压力。为此，我们采取了多种解决方案，包括对一系列Talin串联双螺旋束进行了结构研究。我们分别解析了Talin R9-10(1654～1973 a.a.)、R10-11(1815～2140 a.a.)的双螺旋束晶体结构，单独的R9、R10、R11 均为5螺旋的螺旋束结构，R9-10 之间通过一条长alpha螺旋连接，R9 和R10 交错排列在该螺旋的两侧，夹角约为150度；R10-11 之间的柔性连接区在周围氢键网络的稳定下，使R10 和R11 形成了约120度的夹角。晶体结构中观察到的夹角与前人的小角散射实验结果接近，但这种方法恐怕难以实现Talin全长结构的拼接。此外，我们还尝试了通过分子间交联、构建突变体人为引入分子内二硫键等等方法来稳定Talin自抑制状态，并尝试从组织中直接提取天然的Talin蛋白。虽然项目已经结题，但我们研究组在Talin全长自抑制状态结构上的研究仍在积极推进。