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人类ZO2蛋白质第二个PDZ结构域的溶液结构和功能的研究

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第一章绪论(极化细胞紧密连接研究进展)

1.1紧密连接的结构

1.2紧密连接中的跨膜蛋白

1.3外围膜蛋白

1.4紧密连接MAGUK蛋白的结构与功能

1.5紧密连接蛋白的分子间相互作用

1.6紧密连接的分子装配

1.7紧密连接的多种功能

1.8紧密连接在细胞增殖、分化及基因表达方面的作用

1.9紧密连接中的信号传导

1.10血脑屏障中的紧密连接

1.11结语

参考文献

第二章人类Z02蛋白质第二个PDZ结构域的溶液结构和功能的研究

第一部分背景知识

2.1三维空间的结构域交换

第二部分材料和方法

2.2试剂和抗体

2.3人ZO-1及ZO-2蛋白PDZ2结构域基因的亚克隆

2.4人ZO-1,ZO-2蛋白质第二个PDZ结构域的表达与纯化

2.5蛋白质分子量鉴定

2.6蛋白纯度及均一性鉴定

2.7蛋白质浓度的测定

2.8 PDZ结构域的二级结构特性的光谱学研究(圆二色光谱(CD))

2.9采用毛细管等电聚焦电泳测定W2,W37等电点

2.10 Western Blotting

2.11免疫共沉淀

2.12细胞培养

2.13细胞转染

2.14 FPLC液相色谱

2.15沉降速率分析

2.16利用DSS对His-融合蛋白进行交联

2.17激光动态光散射

2.18原子力显微镜方法

2.19 NMR实验

2.20 NMR结构计算

2.21 NMR波谱解析人ZO-2第二个PDZ结构域的三维溶液空问结构

第三部分实验结果

2.22成功构建了22个重组质粒

2.23 PDZ结构域蛋白的表达和纯化

2.24 PDZ结构域蛋白的分子量鉴定

2.25 PDZ结构域蛋白的二级结构特性的CD光谱学研究

2.26毛细管等电聚焦电泳测定ZO1-PDZ2/ZO2-PDZ2的等电点

2.27 Z02-PDZ2的化学位移认证

2.28 Z02-PDZ2的氢氘交换实验

2.29 Z02-PDZ2的二级结构分析

2.30氮标蛋白和非标蛋白间的滴定结果

2.31 Z01-PDZ2和Z02-PDZ2之间及它们白身的相互作用

2.32 Z01-PDZ2和Z02-PDZ2在溶液中可以形成紧密的同二聚体和异二聚体

2.33 Z02-PDZ2的NMR结构解析

2.34 Z02-PDZ2二聚体的结构描述

2.35 Z02-PDZ2同二聚体的界面

2.36 Z01-PDZ2和Z02-PDZ2寡聚的证据

2.37讨论

参考文献

附录

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢

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摘要

本文对人类ZO1和ZO2蛋白的第二个PDZ结构域进行了克隆、表达、纯化以及结构和功能进行了研究,克隆、表达、纯化了ZO1和ZO2蛋白的第二个PDZ结构域(ZO1-PDZ2及ZO2-PDZ2),并用核磁方法解析了ZO2-PDZ2的溶液结构,结果发现了一个新奇的PDZ结构域的二聚化模式,即通过三维空间结构域交换形成了二聚体。快速蛋白液相色谱(FPLC)及分析性超速离心(AUC)都证明ZO1-PDZ2及ZO2-PDZ2均以二体的形式存在,且二聚体很稳定,因为用沉降速率分析的方法未发现它们有单体存在。此外,我们进行了体内免疫共沉淀及体外的GST pull-down实验,结果均表明ZO1-PDZ2和ZO2-PDZ2能直接相互作用,并且同时发现ZO1-PDZ2和ZO2-PDZ2自身也能相互作用。在体外利用了DSS对蛋白进行了交联实验同时使用动态光散射技术,结果表明这两种蛋白在溶液中都存存不均一的聚集。这种ZO蛋白由PDZ介导的寡聚化可能为claudins跨膜蛋白的聚合提供了结构基础。 在第一章中,综述了紧密连接和ZO蛋白的结构和功能。上皮细胞和内皮细胞在组织和不同的细胞间形成了选择性的屏障,它们发生了极化,且通过细胞间的复合物互相连接,这些复合物包括紧密连接、粘性连接和桥粒。紧密连接是连接复合物中最靠近顶点的成分,通过在细胞间形成连续的带状结构隔离了顶点和侧质膜。紧密连接在调控离子通过旁细胞途径时发挥重要的作用,也是血脑屏障发挥功能所必需的,血脑屏障中紧密连接若被破坏会导致很多神经系统疾病的发生。 紧密连接由不同的跨膜蛋白包括occludin,claudin和JAMs组成,这些跨膜蛋白通过脚手架蛋白如ZO蛋白与细胞骨架相连。ZO蛋白属于膜相关的鸟苷酸激酶家族(MAGUKs),这些蛋白含几个蛋白-蛋白相互作用的结构域,包括三个PDZ结构域、一个SH3结构域和一个GK结构域,它们主要定位于连接复合物的膜下区,把多个完整的膜蛋白交联到细胞质表面,产生特殊的膜区域。 最近的研究已经揭示了ZO蛋白相互作用的结构域。ZO1通过第二个PDZ结构域与ZO-2/ZO-3的第二个PDZ结构域相互作用。Utepbergenov等的研究显示在MDCK细胞中有ZO1同二聚体的存在,而且第二个PDZ结构域是二聚必需、充分的条件。而在Umeda的研究中报道ZO1的SH3/GK模块是二聚必需的。 ZO蛋白的二聚或寡聚在决定它们配体的性质方而起很重要的作用。Claudins跨膜蛋白被看作是紧密连接的骨架,在参与跨细胞通道和孔的形成中,它们可以同源或异源寡聚。ZO蛋白通过第一个结构域结合到claudin YV末端,二聚的ZO1(可能ZO2也是)不仅发动了claudin聚合,即紧密连接的形成,也决定了紧密连接的正确定位。 在第二章中,叙述了ZO1-PDZ2及ZO2-P1322得到了克隆、表达和纯化,ZO2-PDZ2的溶液结构用NMR方法得到了解析。出乎意料的是,ZO2-PDZ2通过交换三维空间结构域形成了紧密的二重对称的同二聚体结构。这种二聚体结构非常适合ZO蛋白在紧密连接中发挥紧密连接的功能。 ZO2-PDZ2在β2a和β2b区域独特的氨基酸序列很可能导致了这种三维空间结构域交换的同二聚体的形成。前人的研究中已经发现了PDZ结构域的几种二聚的模式,例如ShanklPDZ和GRIPPDZ6,通过多序列比对分析,ZO2-PDZ2缺少它们β2-β3片层间的长的Loop,这意谓着在ZO2-PDZ2中β2a和β2b之间的连接太短而不能折回到同一单体形成一对反平行的β片层,从而形成这种三维空间结构域交换的结构。因为ZO蛋白的第二个PDZ结构域有高度的保守性,我们猜想这种三维空间结构域交换的结构也同样适用于同二聚体ZO1-PDZ2和ZO3-PDZ2,异二聚体ZO1-PDZ2/ZO2-PDZ2利ZO1-PDZ2/ZO3-PDZ2。ZO2-PDZ2紧密的二聚体结构应归因于每个亚基N端的两个β-片层的交换,从而产生众多的氢键和广泛的疏水相互作用。 此外,利用体外的GST pull-down和体内的免疫共沉淀实验来说明ZO1-PDZ2和ZO2-PDZ2之间的相互作用,我们证明它们在体外、体内均能直接相互作用,同时,它们自身也能相互作用。利用化学交联和动态光散射,我们推断ZO1-PDZ2和ZO2-PDZ2在溶液中二聚和寡聚形式共存。它们体外、体内的相互作用及自身相互作用应该是由于它们同源或异源寡聚引起的,因为它们是紧密的二聚体。很可能是同二聚体互补的表面静电势使它们能进一步聚集。猜测对于ZO蛋白在体内的寡聚或多聚,第二个PDZ结构域及SH3/GK结构域都可能是必需的。

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