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肿瘤细胞的代谢方式主要是有氧糖酵解,有氧糖酵解也称为“温伯格效应”,是肿瘤细胞的显著特征之一。采用这种方式,肿瘤细胞只生成少量的ATP,而能够积累大量的合成细胞元件所必需的代谢中间产物,如3-磷酸甘油酸、3-磷酸甘油醛、6-磷酸葡萄糖等,以满足细胞增殖的需求。丙酮酸激酶PKM2作为同源四聚体发挥功能,催化糖酵解途径的最后一步反应,是糖酵解过程的限速酶。PKM2是肿瘤代谢的关键酶,特异性地表达于多种肿瘤细胞系,在肿瘤代谢中扮演重要角色。现有研究表明,PKM2的功能受翻译后修饰调控,可调控PKM2的修饰方式有磷酸化、乙酰化和氧化等,同时,已有文献报道显性负突变也可影响PKM2的活性和功能,且这些修饰及突变都有可能是通过影响PKM2的结构而调控其功能。蛋白质的三维结构是其发挥生物学功能的基础,因此研究PKM2翻译后修饰及显性负突变与其结构变化的关系,是阐明其生物学功能的重要环节。但目前关于翻译后修饰及显性负突变对PKM2结构的具体影响及作用机制尚不清楚。为研究翻译后修饰及显性负突变对PKM2结构的影响并揭示其调控PKM2功能的机制,我们构建了一系列模拟翻译后修饰状态及显性负突变的突变体,包括模拟Y105位磷酸化的突变体Y105E,模拟K305位乙酰化修饰的突变体K305Q,显性负突变体K422R,及人为突变体R399E。通过体外生化性质分析,我们发现这些突变体蛋白与本体蛋白在理化性质上存在差异。利用结构生物学的研究手段,我们解析了上述突变体的晶体结构,发现这些突变体的结构是处于不同构象的四聚体结构,比较分析不同构象的四聚体的结构特征,我们提出PKM2构象转换的机制一“跷跷板效应”,即存在于两个二聚体聚合界面上的“跷跷板”调控PKM2蛋白R-state构象和T-state构象之间的转换,进而影响PKM2的酶活。进一步分析发现,突变体Y105E、K422R及R399E主要通过调控PKM2的四聚体构象转换而影响其酶活和功能,而突变体K305Q导致PKM2蛋白解聚成单体而严重影响其酶活。本研究的完成,阐明了这些翻译后修饰及显性负突变对PKM2结构的影响,建立了翻译后修饰以及显性负突变调控PKM2结构的工作模型,从而明确了不同翻译后修饰及显性负突变引发的PKM2结构变化并解释了这种变化影响其功能的机制。且由于PKM2的翻译后修饰状态及显性负突变与癌症的发生发展密切相关,PKM2一系列突变体结构的解析也为靶向各种翻译后修饰及显性负突变的PKM2药物设计提供了结构基础。