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陈鹏研究组与王初研究组合作发展活体蛋白质激活技术

        陈鹏的研究组长期以来致力于蛋白质原位活化技术的发展,希望能为活细胞中的每一个蛋白质安装"调节开关"。最近,他们与王初的研究组合作,提出并开发了一种蛋白质"邻近脱笼"策略,将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。在一系列不同类型的蛋白质上实现了高时间分辨的原位激活,为研究活细胞和活动物中蛋白质的动态调控机制提供了一种通用的技术。利用这种称为CAGE-prox的新方法,他们建立并验证了"激酶的正交激活和信号转导调控"和"时间分辨蛋白质组分析",“基于毒素蛋白的抗肿瘤药物前药"等一系列的原始应用,展示了这一新的化学生物学技术在蛋白质动态功能研究和调控方面的优势和特点。

 

        陈鹏研究组以前提出的"化学脱笼"策略,可以通过对蛋白质关键残基的化学保护和脱保护反应,实现对蛋白质活性的"关-开"调节(Nat.Chem.Biol. 2016,12,129)。使用这种技术,他们是赖氨酸(Nat.Chem., 2014, 6,352; Nat.Chem.Biol., 2014,10,1003)、酪氨酸(J.Am.Chem.Soc.,2016,138,15118)等天然氨基酸侧链上实现了生物正交键断裂反应和化学脱笼。研究了激酶和其他蛋白家族的特异性激活及其机制(ACSCent.Sci, 2016, 2,325,ACSCent.Sci. 2019,5,145)。由于细胞内蛋白质的多样性和活性调节机制的不同,该方法仍受可脱笼氨基酸种类的限制,不能适用于所有蛋白质。

        为了解决这一瓶颈问题,陈鹏的研究组和王初的研究组共同提出了"邻近脱笼"的新策略。在蛋白质活性中心附近引入一种非天然酪氨酸(ONBY),可以实现对蛋白质活性的远程干扰和抑制。保护基团随后被"光脱笼"反应移除,以恢复其活性。在蛋白活性袋附近插入ONBY后,可以通过影响蛋白质稳定性、底物结合等因素来调节蛋白质的活性。此策略将原始的"活性位点脱笼"转换为"活性口袋脱笼"。该方法的应用范围大大扩大。

        基于"邻近脱笼"策略的假设,必须确保当"特定位点"插入到ONBY中时,可以通过阻断底物结合来有效抑制蛋白质的活性,而在光脱除反应后,该位点引入的酪氨酸突变对蛋白质的活性没有影响。在实际操作过程中,重要的问题是如何快速准确地在目标蛋白中找到插入ONBY中的"邻近位点",以避免对目标蛋白所有位点进行突变筛选的繁琐实验流程。王初的研究组善于发现和识别活性功能位点(Biochemistry,2018,57,451; ACSCent。Sci。,2018,4,960)。在这项合作工作中,他们通过计算机辅助蛋白质结构设计,系统地虚拟地筛选了合适的邻近位点,从而可以将ONBY插入到目标蛋白中。通过计算其位置的几何参数和影响蛋白质结构的能量参数,选择合适的推荐位点进行实验验证。该步骤避免了繁琐的人工操作,大大提高了CAGE-PROX法的成功率和通用性。

        在建立了CAGE-prox的标准操作程序之后,两个研究组在荧光素酶、GTP水解酶、RNA去甲基化酶FTO、蛋白激酶、一系列不同类型的蛋白质的合作下,证明了这种瞬时激活方法在生活环境中的普遍性。在此基础上,利用CAGE-prox进一步建立了活细胞中激酶的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。通过激活细菌毒素蛋白(炭疽致死因子),建立了抗肿瘤蛋白前药的治疗策略。这种通用的蛋白质原位活化技术有望应用于未来动态生命过程的基础研究和疾病治疗的转化。

 

 

 

 

 

 

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