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,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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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