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    我国学者发展基于“邻近脱笼”策略的蛋白质原位激活技术

    日期 2019-06-04   来源:化学科学部   作者:胡海宇 张艳 陈拥军  【 】   【打印】   【关闭

      在818棋牌官网项目(批准号:21521003,21740001,91753000,81490741和21778004)等资助下,北京大学陈鹏课题组与王初课题组合作,将可遗传编码的非天然氨基酸脱笼技术与计算机辅助设计筛选技术相结合,在一系列不同种类的蛋白质上实现了高时间分辨的原位激活,为在活细胞及活体动物内研究蛋白质的动态调控机制提供了一种普适性技术。研究成果以“Time-resolved Protein Activation by Proximal Decaging in Living Systems”(利用邻近脱笼方法在活体内时间分辨的激活蛋白)为题,于2019年5月8日在Nature(《自然》)上在线发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1188-1。本领域国际同行在《自然》杂志同期为本文撰写了亮点推荐介绍(链接:https://www.nature.com/articles/d41586-019-01394-1)。

      在活细胞等生理环境下开展蛋白质功能的原位研究具有重要的科学意义。陈鹏课题组长期致力于发展蛋白质的原位激活技术,希望为活细胞内的每一个蛋白质安装“调控开关”。该课题组先前提出的“化学脱笼”策略,可通过对蛋白质关键残基的化学保护和脱保护反应,实现对其活性的“关-开”调控(Nat. Chem. Biol.2016, 12, 129)。然而由于细胞内蛋白质的种类繁多、活性调控机制各异,“化学脱笼”策略受可供脱笼的氨基酸种类限制,无法适用于所有蛋白质。为了解决这一瓶颈,陈鹏课题组与王初课题组合作提出了“邻近脱笼”的新策略(图)。通过向蛋白质活性中心附近引入一种带有光保护基团的非天然酪氨酸(ONBY), 可同样实现对其活性的远程干扰和抑制;随后通过“光脱笼”反应将保护基团移除,使其活性重新恢复。由于在蛋白质活性口袋附近插入ONBY后能够通过影响蛋白稳定性、底物结合等多种因素调控蛋白质活性,该策略将原有的“活性位点脱笼”转变为“活性口袋脱笼”,极大地扩展了该方法的适用范围。

      对于不同蛋白来说,在实际操作过程中面临的重要问题是如何在目标蛋白中快速而又准确地找到插入ONBY的“邻近位点”,从而避免对目标蛋白所有位点进行突变筛选的繁琐实验流程。王初课题组发展了计算机辅助的方法,在蛋白质组中发现和鉴定活性功能位点(Biochemistry,2018,57, 451; ACS Cent. Sci.,2018,4, 960)。在该项研究中,借助计算机辅助的蛋白质结构设计,对目标蛋白中可以插入ONBY的合适邻近位点进行了系统地虚拟筛选,通过计算其所处位置的几何参数以及对蛋白质结构影响的能量参数选出合适推荐的位点供实验验证。这一步骤避免了繁琐的人为操作,极大地提高了成功率和普适性。

      在建立标准操作流程后,他们分别在荧光素酶、GTP水解酶、RNA去甲基化酶FTO、蛋白激酶、caspase细胞凋亡蛋白酶和炭疽致死因子金属蛋白酶等一系列不同类型的蛋白上展示了该瞬时激活方法在活体环境下的普适性。在此基础上,他们进一步建立了活细胞内的激酶正交激活和信号转导系统,完成了细胞凋亡蛋白酶的瞬时激活和酶切底物的组学鉴定,并通过激活细菌毒素蛋白(炭疽致死因子)开发了抗肿瘤蛋白质前药的治疗策略。

      这一通用的蛋白质原位激活技术有望在未来应用到动态生命过程的基础研究和疾病治疗的转化研究当中。

     

    图. 邻位脱笼策略