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人源蛋白质ARAP3选择性识别RhoA的结构基础以及拟南芥蛋白质APUM23特异性识别18S核糖体RNA的结构基础

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摘要

第1章 人源蛋白质ARAP3选择性识别RhoA的结构基础

1.1 背景介绍

1.1.1 引言

1.1.2 小GTP酶

1.1.3 Rho家族小GTP酶

1.1.4 Rho家族小GTP酶的调控蛋白质

1.1.5 RhoA的生物学功能

1.1.6 Arf6的生物功能

1.1.7 ARAP3是多结构域蛋白质

1.1.8 ARAP3的ArfGAP结构域活性的调节

1.1.9 ARAP3的RhoGAP结构域活性的调节

1.1.10 ARAP3的生物功能

参考文献

1.2 材料方法

1.2.1 蛋白质边界的选择

1.2.2 目的基因片段的扩增

1.2.3 目的基因片段的回收

1.2.4 质粒和目的基因的双酶切

1.2.5 目的基因片段克隆到质粒

1.2.6 大肠杆菌化学转化感受态细胞Gold的制备

1.2.7 连接产物转化至大肠杆菌感受态

1.2.8 测序及菌种的保存

1.2.9 质粒的突变

1.2.10 RhoA、Cdc42以及Rac1的克隆

1.2.11 ARAP3-RhoGAP-RhoA(2-181,F25N)融合蛋白质的克隆

1.2.12 ARAP3的RhoGAP结构域的表达与纯化

1.2.13 人源RhoA、Cdc42以及Rac1的表达和纯化

1.2.16 蛋白质晶体的X-射线衍射数据的收集

1.2.17 数据处理和结构解析

1.2.18 等温滴定量热(Isothermal Titration Calorimetry,ITC)实验

1.2.19 酶活力实验

参考文献

1.3 实验结果

1.3.2 ARAP3的RhoGAP结构域的单体结构

1.3.3 ARAP3的RhoGAP结构域与RhoA的过渡态复合物结构

1.3.4 ARAP3的RhoGAP结构域与RhoA的相互作用界面

1.3.5 ARAP3-RhoGAP·RhoA过渡态复合物结构与其他RhoGAP·RhoA过渡态复合物结构的比较

1.3.6 ARAP3选择性识别RhoA的结构生物学机制

1.4 讨论

参考文献

第2章 拟南芥蛋白质APUM23特异性识别18S核糖体RNA的结构基础

2.1 背景

2.1.1 PUF蛋白质的功能

2.1.2 PUF蛋白质的结构

2.1.3 PUF蛋白质对特异性RNA序列的模块化识别

2.1.4 PUF蛋白质的应用

2.1.5 APUM23的功能

参考文献

2.2 材料和方法

2.2.1 APUM23的Puf-repeat串联结构域的克隆

2.2.2 APUM23的Puf-repeat串联结构域的表达与纯化

2.2.3 RNA母液的制备

2.2.4 APUM23的Puf-repeat串联结构域与RNA的复合物晶体的生长

2.2.5 APUM23的Puf-repeat串联结构域与RNA的复合物晶体的X-射线衍射数据的收集

2.2.6 APUM23的Puf-repeat串联结构域与RNA的复合物晶体的X-射线衍射数据处理与结构解析

2.2.7 等温滴定量热(Isothermal Titration Calorimetry,ITC)实验

参考文献

2.3 实验结果

2.3.1 APUM23与10个核苷酸的RNA 5’-GAAUUGACGG-3’的复合物晶体结构

2.3.2 APUM23与11个核苷酸的RNA 5’-GGAAUUGACGG-3’的复合物晶体结构

2.3.3 APUM23对A+2和A+7的特异性模块化识别

2.3.4 APUM23对G0、G+1、G+6、G+9和G+10的特异性模块化识别

2.3.5 APUM23对C+8的特异性模块化识别

2.3.6 APUM23对A+3的识别

2.3.7 APUM23对U+4和U+5的识别

2.3.8 APUM23以及Nop9和相同RNA 5’-GGAAUUGACGG-3’复合物晶体结构的比较

2.3.9 APUM23的R3 Puf repeat结构域的插入氨基酸序列阻碍了G0和A+3碱基之间的堆积

2.4 讨论

2.4.1 APUM23是新型结构的PUF蛋白质

2.4.2 APUM23和Nop9家族蛋白质的R3 Puf repeat结构域都存在比较保守插入氨基酸序列

2.4.3 APUM23调控前核糖体RNA加工的可能分子机制

2.4.4 APUM23潜在的应用前景

2.4.5 不足之处

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文和取得的研究成果

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摘要

本论文的第一章介绍了我们关于含有两个GTP酶激活蛋白质结构域的人源蛋白质ARAP3选择性识别RhoA的结构与功能研究。ARAP3是一个多结构域的蛋白质,它含有1个ArfGAP结构域、1个RhoGAP结构域、1个SAM结构域、5个PH结构域、以及1个RA结构域。ARAP3的特点是同时拥有两个具有活性的GTP酶激活蛋白质结构域,其中ArfGAP可以选择性地识别并加速Arf6-GTP水解为Arf6-GDP,RhoGAP可以选择性地识别并加速RhoA-GTP水解为RhoA-GDP。PtdIns(3,4,5)P3与ARAP3的结合可以提高ArfGAP的活性,Rap1-GTP与ARAP3的结合可以提高RhoGAP的活性。ARAP3很多生物学功能都与它的RhoGAP结构域的活性有关,如参与板状伪足的形成、参与血管生成、抑制硬胃癌细胞的腹膜扩散、调节中性粒细胞的趋化性和粘附相关过程、以及参与神经突生长等。为了更清晰的了解ARAP3是如何特异性识别RhoA,我们解析了ARAP3的RhoGAP结构域与RhoA· GDP· AlF4-在反应过渡态的复合物晶体结构。ARAP3的RhoGAP结构域由9个长的α螺旋和2个短的α螺旋反向平行折叠组成。我们对复合物结构提供的作用界面上的氨基酸进行突变,并通过细胞外ITC实验以及酶动力学实验研究了这些氨基酸对RhoGAP结构域识别RhoA以及加速RhoA-GTP水解能力的影响。我们发现对ARAP3的氨基酸的Arg-942、Arg-949、Arg-982或Arg-985的单点突变都可以显著的降低ARAP3-RhoGAP结构域与RhoA-GTP的结合能力以及GAP活性。我们还发现ARAP3是通过RhoA的α3螺旋中的氨基酸Asp-90和Glu-97来选择RhoA作为特异性作用底物的。
  本论文的第二章介绍了我们关于拟南芥中的PUF蛋白质APUM23特异性识别18S核糖体RNA中11个核苷酸的5'-GGAAUUGACGG-3'序列的结构与功能研究。多年来PUF蛋白质得到了广泛的结构与功能研究,但是我们对植物中的PUF蛋白质仍然知之甚少。大部分的PUF蛋白质都存在于细胞质中,它们通过结合信使RNA的3'非翻译区来调控信使RNA的翻译及定位。APUM23是少数的存在于核仁中的PUF蛋白质,它参与调节前核糖体RNA的加工过程,然而其中的分子机制目前尚不清楚。我们解析了APUM23和目的RNA的复合物晶体结构,这是第一个解析出的植物中的PUF蛋白质结构,APUM23是由10个Puf repeat串联结构域折叠成的C型结构,APUM23有一段插入序列并在C型结构内侧折叠成α螺旋。这段插入序列参与RNA的识别。最后,我们还解析了不含插入氨基酸序列的APUM23的突变体和RNA5'-GGAAUUGACGG-3'的复合物晶体结构。这个复合物结构显示,G0的碱基不再与APUM23的第十个Puf repeat结构域结合,而是经过大角度的翻转和A+3的碱基形成堆积相互作用稳定A+3碱基的构象。插入氨基酸序列的存在会通过空间位阻限制G0碱基的翻转,因此APUM23的插入氨基酸序列既识别RNA的碱基,又可以稳定RNA的构象。这项工作揭示了APUM23特异性识别18S核糖体RNA的结构基础。

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