韓偉課題組和李子剛課題組在多肽自組裝設(shè)計和機理研究取得重要進展
韓偉課題組和李子剛課題組結(jié)合計算與實驗手段，采用手性側(cè)鏈裝訂肽合成技術(shù)，并運用多尺度計算模擬方法，實現(xiàn)了針對由短肽形成的超螺旋納米自組裝結(jié)構(gòu)的從頭設(shè)計，并進一步在原子層面上理解了該結(jié)構(gòu)形成的機制。此項研究以“Molecular Design of Stapled Pentapeptides as Building Blocks of Self-Assembled Coiled-Coil-Like Fibers”為題，在Science Advances在線發(fā)表，DOI，鏈接 ：doi: 10.1126/sciadv.abd0492。
短肽分子具有良好的生物兼容性，且易于合成及修飾，因此已經(jīng)成為制備自組裝納米結(jié)構(gòu)的一類重要的構(gòu)建單元。盡管這類自組裝結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出獨特的物理和化學(xué)特性，但由于短肽構(gòu)象的自由度較高，它們往往缺乏特定氨基酸精確的空間排列。通過化學(xué)修飾的構(gòu)象約束為這個問題提供了有效的解決方案。受到天然蛋白質(zhì)中存在的一類特殊螺旋自組裝結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，科學(xué)家們致力于探索如何通過設(shè)計短肽來構(gòu)建由螺旋肽形成的超螺旋納米纖維結(jié)構(gòu)。迄今為止所采用的方法主要是引入使螺旋構(gòu)象穩(wěn)定的非編碼氨基酸，但這類方法通常會改變多肽主鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致多肽形成的螺旋結(jié)構(gòu)不規(guī)則，這使得螺旋肽自組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計和機制理解變得十分困難。所以，基于結(jié)構(gòu)和機制的螺旋多肽自組裝的理性設(shè)計尚付闕如。
除了主鏈修飾外，設(shè)計合適的側(cè)鏈鏈接也是增加多肽螺旋度的重要策略。李子剛課題組在之前的研究中發(fā)現(xiàn)在多肽裝訂側(cè)鏈精準(zhǔn)引入手性中心，當(dāng)手性中心是R型時，可以促使最短包含五個氨基酸的短肽形成穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的螺旋（Chirality Induced Helical Peptide, CIH多肽，圖1A）【Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 8013】，之后他們發(fā)現(xiàn)在合適的條件下，這種螺旋多肽可以自組裝形成納米結(jié)構(gòu)【Sci. Adv. 2018;4: eaar5907；CCS Chem. 2020, 2, 42】。這種裝訂肽策略在超螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計中展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。然而，目前對裝訂肽自組裝機理認(rèn)知的缺乏，如何通過合理設(shè)計調(diào)控這類裝訂肽的自組裝行為仍然極具挑戰(zhàn)。為此，韓偉課題組采用了獨立開發(fā)的多尺度計算模型（hybrid-resolution model）對上述裝訂肽的自組裝行為開展了計算模擬研究【J Chem Theory Comput 2012，8，4413】。該模型不僅可以用于多肽折疊和聚集機制的研究，最近還得到進一步拓展，并被用來闡明超短肽形成多種納米結(jié)構(gòu)的機理【J Chem Theory Comput 2017，13，5731；ACS Nano 2019，13，4455】。
圖1：Coiled coil結(jié)構(gòu)規(guī)則及CIH五肽的設(shè)計。
研究者們首先按照只含有五個殘基裝訂肽這個模版對超螺旋結(jié)構(gòu)規(guī)則進行了調(diào)整（圖1），并根據(jù)該模版構(gòu)建了裝訂肽文庫（表1），然后使用多尺度計算方法對該文庫進行了篩選。結(jié)果表明，所使用的計算模型可以較準(zhǔn)確地評估給定五肽形成螺旋構(gòu)象的傾向以及其組裝成納米纖維的能力，并可有效預(yù)測其組裝行為。這些信息不但輔助實驗準(zhǔn)確鎖定可以高效自組裝的裝訂肽，并且與多種實驗表征手段互補，促進了研究者們對裝訂肽自組裝結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的理解，從而讓他們能夠更加合理地對多肽進行設(shè)計改造，并且根據(jù)設(shè)計結(jié)果的反饋進一步改良設(shè)計。通過這種策略，研究者們首次從頭設(shè)計了螺旋度可預(yù)測，可調(diào)控的CIH五肽并成功預(yù)測其纖維自組裝行為。
表1：五肽文庫及螺旋度與形貌。
Id |
R1 |
R2 |
R4 |
Computed Helicity |
Computed RelAtive Helicity |
Experiment ReLative Helicity |
Sshape |
S? |
1 |
-Me |
Ala |
Leu |
0.71±0.02a |
0.77 |
0.78 |
0.49 |
0.29 |
2 |
-Ph |
Ala |
Leu |
0.54±0.09 |
0.59 |
0.59 |
0.39 |
0.35 |
3 |
-Me |
Leu |
Ala |
0.39±0.08 |
0.42 |
-b |
- |
- |
4 |
-Ph |
Leu |
Ala |
0.41±0.09 |
0.45 |
- |
0.48 |
0.39 |
5 |
-Me |
Ala |
Phe |
0.27±0.09 |
0.29 |
- |
- |
- |
6 |
-Ph |
Ala |
Phe |
0.19±0.05 |
0.21 |
0.27 |
0.38 |
0.38 |
7 |
-Me |
Ala |
Hpa |
0.68±0.10 |
0.74 |
- |
0.44 |
0.36 |
8 |
-Ph |
Ala |
Hpa |
0.58±0.08 |
0.63 |
0.65 |
0.53 |
0.32 |
9 |
-Me |
Ala |
App |
0.93±0.03 |
1.01 |
- |
0.62 |
0.35 |
10 |
-Ph |
Ala |
App |
0.92±0.06 |
1.00 |
1.00 |
0.97c |
0.06 |
11 |
-Me |
Phe |
Ala |
0.22±0.07 |
0.24 |
- |
- |
- |
12 |
-Ph |
Phe |
Ala |
0.26±0.04 |
0.28 |
0.35 |
- |
- |
13 |
-Me |
Hpa |
Ala |
0.34±0.10 |
0.37 |
- |
- |
- |
14 |
-Ph |
Hpa |
Ala |
0.30±0.10 |
0.33 |
- |
- |
- |
15 |
-Me |
App |
Ala |
0.34±0.09 |
0.37 |
- |
0.59 |
0.39 |
16 |
-Ph |
App |
Ala |
0.42±0.05 |
0.46 |
- |
- |
- |
17 |
-Me |
Leu |
Leu |
0.70±0.06 |
0.76 |
- |
0.37 |
0.32 |
18 |
-Ph |
Leu |
Leu |
0.66±0.02 |
0.72 |
- |
0.34 |
0.42 |
19 |
-Me |
App |
App |
0.94±0.08 |
1.02 |
- |
0.25 |
0.36 |
20 |
-Ph |
App |
App |
0.82±0.10 |
0.89 |
- |
0.25 |
0.36 |
DerivativeS of peptide 10 |
||||||||
21 |
Ala2Lys (A2K) |
0.86±0.08 |
0.93 |
0.96 |
0.94 |
0.06 |
||
22 |
Ala3Lys (A3K) |
0.95±0.04 |
1.03 |
1.01 |
0.98 |
0.096 |
||
23 |
Ala2Glu (A2E) |
0.94±0.05 |
1.02 |
0.88 |
0.98 |
0.08 |
||
24 |
Ala3Glu (A3E) |
0.95±0.08 |
1.03 |
0.92 |
0.91 |
0.08 |
||
特別值得指出的是CIH五肽纖維形成能力對化學(xué)取代細(xì)節(jié)極為敏感。當(dāng)研究者改變位于R4位置的苯丙基酸殘基，將其取代為苯環(huán)基團（Ph）和主鏈間的C原子個數(shù)不同的苯丙氨酸類似物時，多肽的螺旋度隨之受到顯著的影響，而其自組裝行為也發(fā)生改變。進一步的計算模擬和實驗表明，單個亞甲基的微小差異對肽的組裝能力的巨大影響歸因于CIH多肽的螺旋度變化。Phe具有最短的單個亞甲基，其Ph基團對多肽螺旋骨架造成位阻，嚴(yán)重降低了多肽的螺旋度；而使用多一個亞甲基的Hpa取代基可降低這種位阻，提高螺旋度；當(dāng)使用更多一個亞甲基的App時，其足夠的長度避免了Ph與CIH多肽螺旋骨架的位阻并和側(cè)鏈之間形成良好的相互作用，從而進一步穩(wěn)定了CIH多肽的螺旋構(gòu)象。此外，較長的鏈接基團也使得Ph基團具有足夠多的自由度，從而能夠參與分子間的芳香環(huán)相互作用；與此相反，如果Ph過分靠近多肽主鏈，由于空間位阻的關(guān)系，其形成分子間芳環(huán)主要的能力則被大大削弱。此外，研究者們還研究了特定的疏水、氫鍵相互作用對纖維形成的重要性。綜上所述，以上發(fā)現(xiàn)不但為超螺旋自組裝多肽設(shè)計開辟了一條新途徑，而且在理解超短螺旋多肽的自組裝機制上也具有重要意義（圖2）。
圖2：實驗整體設(shè)計及核心表征。
此研究由韓偉教授課題組和李子剛教授課題組合作完成，北京大學(xué)深圳研究生院博士研究生江意翔、張婉和楊發(fā)燈為共同第一作者； 蔡翔、萬川和劉建博等也做出了重要貢獻(xiàn)。以上工作得到了國家科技部、國家自然科學(xué)基金、廣東自然科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會及中國博后科學(xué)基金的支持。
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