您的位置:澳门金莎娱乐网址 > 生命科学 > 我国科学家研发出活体内蛋白质瞬时原位激活新

我国科学家研发出活体内蛋白质瞬时原位激活新

发布时间:2019-09-07 22:43编辑:生命科学浏览(62)

    为活细胞内的每一个蛋白质安装调控开关

    在活细胞等复杂的生命体系中原位研究蛋白质功能具有重要的科学意义。以往在活细胞内开展的蛋白质原位研究只能在某些特定蛋白家族中应用,如何进一步发展广泛适用于不同类型蛋白家族的原位研究方法一直是困扰众多生物学家的科学难题。

    2019年5月8日,北京大学陈鹏课题组与王初课题组发展了一种在活体细胞或动物内瞬时激活蛋白质的普适性新技术,具体成果以长文形式在Nature上在线发表题为Time-resolved protein activation by proximal decaging in living systems文章。

    利用化学小分子调控生物大分子是化学与生命科学交叉领域内长期关注的问题,而如何在活体环境下实现高度特异的调控是目前面临的最大挑战之一。2014年3月16日,北京大学化学与分子工程学院陈鹏课题组在《自然•化学》杂志在线发表了题为“Palladium-triggered deprotection chemistry for protein activation in living cells”的研究论文,首次利用小分子钯催化剂激活了活细胞内的特定蛋白质。

    科技日报讯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。近日,记者从北京大学了解到,北大化学与分子工程学院陈鹏课题组与王初课题组合作发展了一种在活体细胞或动物内瞬时激活蛋白质的普适性新技术,相关成果在线发表在《自然》杂志上。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”。此前,他们提出了“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。由于细胞内蛋白质的种类繁多、活性调控机制各异,目前该方法仍受可供脱笼的氨基酸种类限制,无法适用于所有蛋白质。为了解决这一瓶颈问题,陈鹏课题组与王初课题组合作提出了“邻近脱笼”的新策略。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,可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,重新恢复其活性。在此过程中,他们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。利用这一新方法,研究人员建立并验证了“激酶正交激活和信号转导调控”“时间分辨的蛋白质组学分析”“基于毒素蛋白的抗肿瘤蛋白前药”等一系列原创应用。中科院院士张礼和指出,该工作是化学生物学领域的一项重要进展,为在活细胞及活体动物内开展蛋白质动态功能研究提供了关键技术,也为生物正交反应开拓了新的前沿方向。

    在国家重点研发计划“蛋白质机器与生命过程调控”重点专项“信号转导过程中蛋白质机器的活细胞标记与在体调控”项目的支持下,北京大学陈鹏教授课题组与王初课题组合作,发展了一种在活体内瞬时激活蛋白质的普适性新技术。他们将计算机辅助设计筛选与可遗传编码的非天然氨基酸技术有机结合,探究并发展了一种普适性的“邻近脱笼”新策略。他们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, 实现了对其活性的远程干扰和抑制;随后通过光解离反应将保护基团移除,使其活性重新恢复(图1)。该方法通过对蛋白质活性中心邻近残基位点的脱笼,可在活细胞及活体动物内实现对不同类型蛋白质的在体、瞬时、特异性激活。

    在复杂的生命体系中原位研究蛋白质功能具有重要的科学意义,但目前适用此类研究的技术十分有限。蛋白质原位激活的“功能获得型”方法具有高灵敏度和时间分辨率,但对于绝大多数蛋白质来说,目前还缺乏这类原位激活的技术手段。

    作为生物体内含量最多的一类生物大分子,蛋白质几乎参与了所有的生命活动,因此“在体”研究与调控其活性及生物功能意义重大。与发展较为成熟的蛋白质活性抑制剂及相应的“功能缺失性”研究相比,小分子激活剂对于研究蛋白质的结构与功能更为有效。这主要是因为后者可以在活细胞及活体动物、组织内实现“功能获得性”研究,从而为目标蛋白质在天然环境下的功能及其在生命活动中扮演的角色提供更准确和细致的信息。然而,通过小分子实现蛋白质的原位激活是一项极具挑战性的任务,目前大多数成功的例子都来源于大规模小分子库筛选而获得的针对某一特殊蛋白质靶标的“别构剂”,而没有一种广泛适用于不同类型蛋白质的普适性小分子激活策略。

    该团队利用“邻近脱笼”新策略,开展了“激酶正交激活和信号转导调控”、“时间分辨的蛋白质组学分析”和“基于毒素蛋白的抗肿瘤蛋白前药”等一系列原创应用,展示了这一化学生物学新技术在开展蛋白质动态功能研究与调控中的优势和特色。

    为此,研究人员发展了一种基于可遗传编码非天然氨基酸的“邻近脱笼”策略(CAGE-prox),结合计算机辅助设计与筛选,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,为在活体环境下研究蛋白质动态功能变化提供了一种通用和便捷的化学生物学技术。利用CAGE-prox,他们在活细胞或活体动物内建立了“激酶正交激活和信号转导系统”、 实现了“具有时间分辨率的凋亡蛋白酶特异激活和底物鉴定”,发展了“基于金属蛋白酶激活的抗肿瘤蛋白前药”。充分展示了CAGE-prox在活体环境内开展蛋白质动态功能研究与调控的普适性。

    陈鹏课题组一直致力于开发适用于活细胞环境的蛋白质化学反应。在本工作中,他们将基于钯催化剂的”脱保护反应”与非天然氨基酸定点插入技术相结合,通过优化生物相容的小分子钯催化剂和化学保护基团,成功发展了一种活细胞内的普适性蛋白质激活技术。该方法通过将一种带有化学保护基团的赖氨酸(炔丙基碳酸酯-赖氨酸,Proc-赖氨酸)以非天然氨基酸的形式定点取代目标蛋白质上关键活性位点的天然赖氨酸,使蛋白质的活性处于“关闭”状态。利用能够高效催化“脱保护反应”的钯化合物,他们在活细胞内实现了蛋白质侧链的原位脱保护反应(Proc-赖氨酸向天然赖氨酸的转化),使该蛋白质重新回到“开启”状态,实现“原位”激活。这一策略的优势在于将非天然氨基酸直接插入了目标蛋白质酶的催化活性位点,使其处于完全“关闭”的状态;而在激活过程中只要产生少量的处于“开启”状态的蛋白质就足以对其功能及相关生物学功能进行研究。

    金沙线上,该工作是计算机辅助分子设计与化学生物学研究有机结合的经典范例,为今后深入开展蛋白质动态修饰和化学干预研究提供了有力的工具,在从基础生物学研究到蛋白质药物研发等一系列领域都具有广阔的应用前景。相关研究成果近期在《自然》杂志上发表。澳门金沙平台 1澳门金沙平台,图1. 邻近脱笼策略示意图

    值得一提的是,Nature杂志还在同期邀请礼和院士、蒋华良院士、郭子建院士、邵峰院士等进行了评述。

    澳门金沙平台 2

    基于小分子钯催化剂的活细胞蛋白质特异激活技术

    在研究中,他们将该策略用于多种含有关键赖氨酸残基的蛋白质酶的激活,证明了该方法具有很强的普适性。接着,他们利用此技术深入研究了一种细菌三型分泌系统的毒素效应蛋白OspF(磷酸丝氨酸裂解酶)对宿主细胞内的胞外信号调节激酶(Erk)参与的信号转导通路的影响。今后他们拟将这一策略拓展到赖氨酸以外的蛋白质侧链上及其他生物大分子上,从而进一步提高该方法的适用范围。

    该工作为发展蛋白质的小分子激活方法,尤其是适用于活细胞及活体的激活策略,提供了新的思路,为“在体”调控蛋白质活性提供了新的工具。北京大学化学与分子工程学院10级博士研究生李劼是该论文的第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部、北大-清华生命科学联合中心的资助。

    本文由澳门金莎娱乐网址发布于生命科学,转载请注明出处:我国科学家研发出活体内蛋白质瞬时原位激活新

    关键词: