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过氧化物酶体脂肪酸转运蛋白ABCD1/2/3的结构与功能研究

批准号:
32071206
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
陈宇星
依托单位:
学科分类:
结构生物学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈宇星

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
脂肪酸在细胞质中被活化成脂酰辅酶A后分别进入线粒体和过氧化物酶体进行β-氧化而产生能量。ABC转运蛋白ABCD1/2/3负责向过氧化物酶体内转运超长链脂肪酸和支链脂肪酸,ABCD1基因的突变将导致超长链脂肪酸在胞质中大量积累,进而诱发X染色体伴性遗传肾上腺脑白质营养不良症。为了阐明D亚家族ABC转运蛋白的底物特异性和转运机制,以及三者之间的异同和功能关系,我们将利用晶体学或冷冻电镜技术解析ABCD1/2/3在底物转运循环中关键节点不同构象的三维结构。结合ATP酶活和转运活性实验等鉴定负责底物识别和转运的关键氨基酸残基,揭示ABCD1/2/3转运不同脂肪酸底物的分子机制。同时,基于结构比对和临床突变位点定位分析,结合生化研究阐明相关突变的致病机理。该研究不仅能加深我们对ABCD1/2/3转运脂肪酸精细分子机制的理解,还将为研究相关人类疾病的致病机理以及临床治疗和药物开发提供重要的理论基础。
英文摘要
The fatty acid is activated into the corresponding fatty acyl-CoA in cytoplasm, and transported to the mitochondria or peroxisomes for β-oxidation to produce ATP, providing the energy for cell metabolism. Previous reports showed that three ABC transporters ABCD1, ABCD2 and ABCD3 play key roles in the transport of very long-chain fatty acids and branch chain fatty acids into peroxisome, respectively. Mutations in human ABCD1 gene resulted in the accumulation of very long-chain fatty acids in the cytosol, and eventually led to the so-called X-linked Adrenoleukodystrophy (X-ALD), which is a common peroxisomal disease. To elucidate the substrate specificity and transport mechanism, and structure-based functional diversity, in this project we will solve the 3-D structures of ABCD1/2/3 at different stages of transport, to capture the key snapshots during the transportation cycle. Combined with biochemical assays, we will illustrate the structural basis for the various substrates transported by ABCD1/2/3. In addition, the structures will enable us to precisely map the clinical mutations and figure out the molecular mechanism of the pathogenesis of X-ALD. These findings will provide not only the structural insights into the ABC transporters in subfamily D, but also helpful hints for the development of pharmacotherapeutics and clinical drugs for the related human diseases.
人类脂肪酸氧化主要在线粒体和过氧化物酶体中进行,为细胞提供重要能量物质,同时参与许多重要的生理生化通路。超长链脂肪酸、支链脂肪酸、胆汁酸前体等由位于过氧化物酶体膜上的ABC转运蛋白ABCD1、ABCD2和ABCD3以酯酰辅酶A的形式跨膜转运进入过氧化物酶体。三者同为ABCD亚家族的转运蛋白,但具有各自的底物特异性:ABCD1主要转运饱和脂肪酸和单不饱和脂肪酸;ABCD2偏好多不饱和脂肪酸;而ABCD3转运长链脂肪酸、支链脂肪酸、胆酸盐前体、长链双羧酸等。它们的功能异常会导致严重人类疾病。ABCD1功能缺陷会导致超长链脂肪酸在细胞中积累,引发伴X-染色体肾上腺脑白质营养不良症(X-ALD),这是一种影响肾上腺、脊髓和中枢神经系统的过氧化物酶体疾病,人群中的发病率约为1/17,000。自1993年发现ABCD1为X-ALD的致病蛋白以来,尽管对其生理功能、底物特异性及转运机制进行了大量研究,并鉴定了超过900个致病突变位点,但缺乏高分辨率三维结构限制了对ABCD1底物转运机制及其突变致病机理的理解。本项目利用单颗粒冷冻电镜技术解析了人类ABCD1的无配基结合(apo-form)、底物结合以及ATP结合三种不同构象的蛋白质结构,整体分辨率分别为3.5、3.6和2.8 Å。基于结构分析和生化实验结果,我们提出了ABCD1的底物识别与转运机制。ABCD3转运长链脂肪酸、支链脂肪酸、胆酸盐前体、长链双羧酸等,其能异常会导致严重人类疾病,项目组继续解析了ABCD3的结构,利用单颗粒冷冻电镜技术解析了人类脂肪酸转运蛋白ABCD3结合底物支链脂肪酸植烷酰辅酶A(phytanoyl-CoA)以及结合ATP/辅酶A的两种状态的三维结构,整体分辨率分别为2.9和3.2 Å,为阐明其底物转运的分子机制,深入理解脂肪酸代谢和过氧化物酶体缺陷病致病机制提供了理论基础。本课题不仅阐释了ABCD1和ABCD3的底物转运的分子机制,还为深入理解脂肪酸代谢和过氧化物酶体缺陷病致病机制提供了理论基础。
肝肠循环关键跨膜转运蛋白的结构机制研究
  • 批准号:
    32371257
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    陈宇星
  • 依托单位:
肺炎链球菌辅助分泌系统SecA2/SecY2的分子机制
  • 批准号:
    31770787
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    陈宇星
  • 依托单位:
肺炎链球菌胆碱合成代谢通路的结构和酶学研究
  • 批准号:
    31470739
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    85.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    陈宇星
  • 依托单位:
结核分枝杆菌第二信使c-di-GMP合成和降解途径中重要酶的结构与功能研究
  • 批准号:
    U1332114
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    陈宇星
  • 依托单位:
国内基金
海外基金