Nature報道陳鵬課題組與王初課題組合作發(fā)展具有時間分辨率的活體蛋白質(zhì)激活技術(shù)
2019年5月8日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、合成與功能生物分子中心陳鵬課題組與王初課題組在《自然》雜志在線發(fā)表題為“Time-resolved protein activation by proximal decaging in living systems”的研究論文，報道了兩個課題組合作發(fā)展的一種在活體環(huán)境下瞬時激活蛋白質(zhì)的化學(xué)生物學(xué)新技術(shù)。
在活細(xì)胞等生理環(huán)境下開展蛋白質(zhì)功能的原位研究具有重要的科學(xué)意義。陳鵬課題組長期致力于發(fā)展蛋白質(zhì)的原位激活技術(shù)，希望為活細(xì)胞內(nèi)的每一個蛋白質(zhì)安裝“調(diào)控開關(guān)”。最近，他們與王初課題組展開合作，提出并發(fā)展了一種蛋白質(zhì)“鄰近脫籠”策略，將可遺傳編碼的非天然氨基酸脫籠技術(shù)與計算機輔助設(shè)計篩選技術(shù)相結(jié)合，在一系列不同種類的蛋白質(zhì)上實現(xiàn)了高時間分辨的原位激活，為在活細(xì)胞及活體動物內(nèi)研究蛋白質(zhì)的動態(tài)調(diào)控機制提供了一種普適性技術(shù)。利用這一被命名為CAGE-prox的新方法，他們建立并驗證了“激酶正交激活和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控”、 “時間分辨的蛋白質(zhì)組學(xué)分析”，“基于毒素蛋白的抗腫瘤蛋白前藥”等一系列原創(chuàng)應(yīng)用，展示了這一化學(xué)生物學(xué)新技術(shù)在開展蛋白質(zhì)動態(tài)功能研究與調(diào)控中的優(yōu)勢和特色。
陳鵬課題組先前提出的“化學(xué)脫籠”策略，可通過對蛋白質(zhì)關(guān)鍵殘基的化學(xué)保護和脫保護反應(yīng)，實現(xiàn)對其活性的“關(guān)－開”調(diào)控（Nat. Chem. Biol. 2016, 12, 129）。利用這一技術(shù)，他們先后在賴氨酸（Nat. Chem., 2014, 6, 352; Nat. Chem. Biol., 2014, 10, 1003）、酪氨酸（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15118）等天然氨基酸側(cè)鏈上實現(xiàn)了生物正交斷鍵反應(yīng)和化學(xué)脫籠，開展了激酶等蛋白質(zhì)家族的特異激活和機制研究（ACS Cent. Sci, 2016, 2, 325，ACS Cent. Sci. 2019, 5, 145）。由于細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的種類繁多、活性調(diào)控機制各異，目前該方法仍受可供脫籠的氨基酸種類限制，無法適用于所有蛋白質(zhì)。
為了解決這一瓶頸問題，陳鵬課題組與王初課題組合作提出了“鄰近脫籠”的新策略。通過向蛋白質(zhì)活性中心附近引入一種帶有光保護基團的非天然酪氨酸（ONBY）, 可同樣實現(xiàn)對其活性的遠(yuǎn)程干擾和抑制；隨后通過“光脫籠”反應(yīng)將保護基團移除，使其活性重新恢復(fù)。由于在蛋白質(zhì)活性口袋附近插入ONBY后能夠通過影響蛋白穩(wěn)定性、底物結(jié)合等多種因素調(diào)控蛋白質(zhì)活性，該策略將原有的“活性位點脫籠”轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;活性口袋脫籠”，極大地擴展了該方法的適用范圍。
基于“鄰近脫籠”策略的假設(shè)，需要保證在該“特定位點”插入ONBY時，可以通過阻斷底物結(jié)合從而有效抑制蛋白質(zhì)的活性，而在經(jīng)過光脫除反應(yīng)后，在這個位點引入的酪氨酸突變不會對蛋白質(zhì)的活性產(chǎn)生影響。在實際操作過程中，面臨的重要問題是如何在目標(biāo)蛋白中快速而又準(zhǔn)確地找到插入ONBY的“鄰近位點”，從而避免對目標(biāo)蛋白所有位點進(jìn)行突變篩選的繁瑣實驗流程。王初課題組擅長利用計算機輔助的化學(xué)生物學(xué)方法在蛋白質(zhì)組中發(fā)現(xiàn)和鑒定活性功能位點（Biochemistry, 2018, 57, 451; ACS Cent. Sci., 2018, 4, 960）。在這一合作工作中，他們借助計算機輔助的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，對目標(biāo)蛋白中可以插入ONBY的合適鄰近位點進(jìn)行了系統(tǒng)地虛擬篩選，通過計算其所處位置的幾何參數(shù)以及對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)影響的能量參數(shù)選出合適推薦的位點供實驗驗證。這一步驟避免了繁瑣的人為操作，極大地提高了CAGE-prox方法的成功率和普適性。
在建立CAGE-prox的標(biāo)準(zhǔn)操作流程后，兩個課題組合作分別在熒光素酶、GTP水解酶、RNA去甲基化酶FTO、蛋白激酶、caspase細(xì)胞凋亡蛋白酶和炭疽致死因子（lethal factor）金屬蛋白酶等一系列不同類型的蛋白上展示了該瞬時激活方法在活體環(huán)境下的普適性。在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步利用CAGE-prox建立了活細(xì)胞內(nèi)的激酶正交激活和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，完成了細(xì)胞凋亡蛋白酶的瞬時激活和酶切底物的組學(xué)鑒定，并通過激活細(xì)菌毒素蛋白（炭疽致死因子）開發(fā)了抗腫瘤蛋白質(zhì)前藥的治療策略。這一通用的蛋白質(zhì)原位激活技術(shù)有望在未來應(yīng)用到動態(tài)生命過程的基礎(chǔ)研究和疾病治療的轉(zhuǎn)化研究當(dāng)中。
北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士畢業(yè)生王杰、化學(xué)與分子工程學(xué)院博士后劉源、研究生劉衍軍為該論文共同第一作者，陳鵬教授和王初研究員為本文的共同通訊作者。該項工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部、北京分子科學(xué)國家研究中心和北大—清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的資助。
該論文在Nature在線發(fā)表后（原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1188-1），得到了國內(nèi)和國外同行的廣泛關(guān)注。本領(lǐng)域國際著名專家美國北卡羅來納大學(xué)的Klaus Hahn教授在《自然》雜志同期為本文撰寫了亮點推薦介紹（原文鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-019-01394-1）。我國化學(xué)與生命科學(xué)交叉領(lǐng)域的多位專家也對該工作給予了專業(yè)點評（原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/IehHGMuHVzdilAWkjrTlSg）。
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