人工化学合成-核磁共振联用技术研究翻译后修饰核小体的动态结构-功能关系

The mechanism of posttranslational modifications of nucleosomes on transcription regulation provides an important theoretical basis for the prevention and treatment of life mystery and related diseases. The process of post-translational modification is highly dynamic. In high magnetic field the nuclear magnetic resonance (NMR) technology can achieve the dynamic characteristics of modified nucleosomes with atomic-scale and time resolution. However, it's difficult to obtain the isotope labeling nucleosomes with post-translational modifications. The project attempts to couple protein chemical synthesis with NMR technique for the dynamic regulation mechanism of post-translational modification at the nucleosome level. Two main goals will be achieved: 1) to prepare isotope labeling histones with post-translational modifications using protein chemical synthesis and achieve the nucleosome assembly; 2) to study the dynamic regulation mechanism of post-translational modifications and the structure and function relationship of modified nucleosomes by using NMR technique. A new strategy by combination of protein chemical synthesis and NMR methods will be established for the dynamic regulation of modified nucleosomes.

阐释翻译后修饰核小体对基因转录的调控作用机制，为解开生命奥秘及相关疾病的预防和治疗提供重要理论基础。核小体翻译后修饰过程是一个高度动态的过程，基于强磁场条件下的核磁共振技术能够实现原子尺度和时间分辨率的检测反应，是获取翻译后修饰核小体动态结构和动力学特征的有效工具。但是目前获得用于核磁共振研究的、同位素标记的翻译后修饰核小体样品困难。本基金拟利用强磁场条件下的核磁共振技术和蛋白质化学合成等技术手段，在核小体水平上研究翻译后修饰的动态调控机制。拟实现的研究目标包括：1）利用蛋白质化学合成技术，实现带有同位素标记的翻译后修饰组蛋白合成及其核小体组装；2）利用强磁场条件下的核磁共振光谱技术获得核小体翻译后修饰动态调控的动力学过程，解析翻译后修饰对核小体结构和功能影响的分子机制。通过本项目的实施，有望建立一套基于蛋白质化学合成和核磁共振技术的翻译后修饰核小体动态结构研究新策略。

组蛋白翻译后修饰对染色质的结构和功能具有重要调控作用，影响着基因的转录、复制以及损伤修复等生物过程。阐释组蛋白翻译后修饰功能调控的分子机制，有助于认知生命奥秘以及预防和治疗由组蛋白翻译后修饰异常而引起的疾病。在本项目的资助下，我们利用蛋白质化学合成技术和强磁场条件下的核磁共振技术，实现了多个定点翻译后修饰蛋白（包括组蛋白H2A）的合成，成功解析了多个二硫键替代肽的核磁结构，并取得了多项重要的研究成果，成果包括：（1）建立了泛素化、甲基化和脂质化修饰等定点翻译后修饰核小体样品的合成新策略；（2）利用核小体化学合成新策略，实现了多个定点双泛素化修饰组蛋白H2A的合成，揭示了53BP1对泛素化修饰组蛋白的识别具有可塑性；（3）此外，利用核磁技术，成功解析了多个含有二硫键替代物毒素肽的核磁结构。在项目的资助下，共发表了J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、Chem commun等SCI论文13篇，其中项目负责人为通讯作者的论文11篇，项目负责人为合作作者的论文2篇。