中國教育在線
中國教育在線
新突破!北大教授聯(lián)手找到激活蛋白質(zhì)的“萬能鑰匙”
2025-06-04 13:37
北京大學(xué)
作者:

  5月27日,北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、前沿交叉學(xué)科研究院生命科學(xué)聯(lián)合中心陳鵬教授課題組和王初教授課題組的合作成果以“Machine-learning-assisted universal protein activation in living mice”為題在《細(xì)胞》(Cell)雜志在線發(fā)表。

  兩個課題組通過持續(xù)的深入合作,開發(fā)了融合“機(jī)器學(xué)習(xí)與生物正交剪切反應(yīng)”的蛋白質(zhì)活體激活技術(shù),實(shí)現(xiàn)了“鄰近脫籠”策略從活細(xì)胞向活體動物的突破。

  該工作通過機(jī)器學(xué)習(xí)與生物正交剪切反應(yīng)融合驅(qū)動,獲得了一種創(chuàng)新的蛋白質(zhì)原位激活平臺技術(shù)CAGE-Proxvivo,能夠在活體動物中瞬時激活目標(biāo)蛋白質(zhì)的功能,并精確調(diào)節(jié)蛋白-蛋白相互作用。此外,CAGE-Proxvivo還可以調(diào)節(jié)細(xì)胞表型,誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生焦亡,增強(qiáng)抗腫瘤免疫響應(yīng)。

  CAGE-Proxvivo技術(shù)使得生物正交剪切反應(yīng)邁入了“任意蛋白+活體應(yīng)用”的新時代,相當(dāng)于找到了一把“萬能鑰匙”,可以隨心所欲地調(diào)控蛋白質(zhì)的活性。這標(biāo)志著活體化學(xué)反應(yīng)發(fā)展的重要突破,不僅為動態(tài)生物學(xué)過程的原位研究提供了強(qiáng)大工具,也為按需式精準(zhǔn)治療開辟了新的途徑。


論文截圖

什么是生物正交反應(yīng)?

  生物正交反應(yīng)是指可以在生物體系中進(jìn)行且不與內(nèi)源生命過程相互干擾的化學(xué)反應(yīng)。這類反應(yīng)的發(fā)展,不僅拓展了傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的生物學(xué)應(yīng)用邊界,也將合成化學(xué)的邏輯引入生命系統(tǒng)研究,革新了生命過程的分子解析與精準(zhǔn)調(diào)控方式,為揭示復(fù)雜生理、病理機(jī)制提供了全新視角。

  以“點(diǎn)擊化學(xué)”為代表的生物正交反應(yīng)因?yàn)橛行Ы鉀Q了復(fù)雜生命體系中特定生物分子的原位標(biāo)記與示蹤等關(guān)鍵科學(xué)難題,獲得了2022年度諾貝爾化學(xué)獎,但這一以“偶聯(lián)”為核心的化學(xué)反應(yīng)模式仍存在局限,難以實(shí)現(xiàn)對生物大分子功能的調(diào)控和解析。

  陳鵬課題組長期致力于“活細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)”的開發(fā)與應(yīng)用,在國際上率先提出并發(fā)展了基于“斷鍵”化學(xué)的生物正交反應(yīng)——生物正交剪切反應(yīng)(Bioorthogonal Cleavage Reaction, Nat. Chem. 2014, 6, 352.)。與傳統(tǒng)的“連接”反應(yīng)不同,這種剪切反應(yīng)通過化學(xué)鍵的斷裂,實(shí)現(xiàn)對靶標(biāo)分子中掩蔽基團(tuán)的時空可控釋放。

  該策略突破了利用化學(xué)反應(yīng)調(diào)控生物大分子功能的技術(shù)瓶頸,實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)在活細(xì)胞等環(huán)境中的精準(zhǔn)“脫籠”和激活,使得生命過程和分子互作在特定的時間和空間內(nèi)被精確開啟,為活細(xì)胞的功能研究開辟了新的途徑。


化學(xué)(光)脫籠生物正交剪切反應(yīng)的發(fā)展歷程

什么是“脫籠”?

  “化學(xué)脫籠”策略是一類適用性廣、干擾度低的蛋白質(zhì)激活方法,通過對酶的關(guān)鍵催化殘基的保護(hù)和脫保護(hù),可以實(shí)現(xiàn)對其活性的“關(guān)-開”調(diào)控。陳鵬課題組先后在賴氨酸、酪氨酸等活性氨基酸側(cè)鏈上實(shí)現(xiàn)了生物正交斷鍵反應(yīng)和脫籠,在活細(xì)胞及活體動物內(nèi)實(shí)現(xiàn)了蛋白激酶等多種蛋白質(zhì)的特異激活。

  然而,受限于可以進(jìn)行脫籠反應(yīng)的非天然氨基酸類型,上述基于催化殘基的“直接脫籠“策略只能在某些特定蛋白家族中應(yīng)用。如何進(jìn)一步發(fā)展廣泛適用于不同類型蛋白家族的原位激活方法,在活體環(huán)境內(nèi)研究蛋白質(zhì)動態(tài)功能變化,是眾多化學(xué)生物學(xué)研究者力圖實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo)。

  2019年,陳鵬課題組與王初課題組合作,利用紫外光控的生物正交剪切反應(yīng)為活細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)安裝了功能開關(guān)。這一被稱為蛋白質(zhì)“鄰近脫籠”(CAGE-Prox)的策略具有很強(qiáng)的普適性,實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞內(nèi)各種酶家族蛋白質(zhì)的瞬時激活(Nature. 2019, 569, 5095)。

最新的“脫籠”策略有哪些改進(jìn)?

  在《細(xì)胞》發(fā)表的工作中,作者結(jié)合逆電子需求Diels-Alder反應(yīng)(IEDDA),將其應(yīng)用于反式環(huán)辛烯-酪氨酸(TCOY)的保護(hù)和脫保護(hù),并通過蛋白語言模型訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法,捕捉序列特征與蛋白質(zhì)功能之間的相關(guān)性,輔以Rosetta軟件對接模擬酶和底物的相互作用,從而提高了tRNA合成酶(PylRS)變體選擇的成功率,最終實(shí)現(xiàn)了TCOY的識別和編碼表達(dá)。

  這一“化學(xué)開關(guān)”的引入,能夠暫時關(guān)閉目標(biāo)蛋白質(zhì)的功能,并可通過小分子誘導(dǎo)的生物正交剪切反應(yīng)在體內(nèi)原位恢復(fù),實(shí)現(xiàn)可控激活,獲得了適用于活體動物的通用蛋白質(zhì)激活策略(CAGE-Proxvivo)。


機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動的蛋白質(zhì)活體激活策略:通過蛋白語言模型訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法,設(shè)計(jì)和篩選tRNA合成酶(PylRS)變體,實(shí)現(xiàn)了可化學(xué)脫籠的反式環(huán)辛烯-酪氨酸(TCOY)的識別和編碼表達(dá),用于后續(xù)在體蛋白質(zhì)功能激活和互作調(diào)控

新的“脫籠”策略能做啥?

  在建立CAGE-Proxvivo標(biāo)準(zhǔn)流程后,作者將其應(yīng)用于蛋白質(zhì)靶向遞送與激活治療。作者巧妙地設(shè)計(jì)了靶向遞送與化學(xué)激活的雙重控制,構(gòu)建了“蛋白質(zhì)前藥”系統(tǒng),利用靶向遞送,實(shí)現(xiàn)了炭疽致死因子(Lethal factor)的可控、原位激活,有效抑制了實(shí)體腫瘤的生長。

  在此基礎(chǔ)上,作者通過CAGE-Proxvivo策略成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞焦亡(pyroptosis)在腫瘤內(nèi)部的可控-特異誘導(dǎo)。細(xì)胞焦亡作為一種由Caspase介導(dǎo)的炎癥性細(xì)胞死亡方式,因其激活免疫應(yīng)答的潛力而備受關(guān)注。盡管傳統(tǒng)化療藥物能誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡,但鑒于GSDME在許多腫瘤細(xì)胞中的低表達(dá),腫瘤特異性誘導(dǎo)焦亡仍面臨重要挑戰(zhàn)。CAGE-Proxvivo技術(shù)則在小鼠肺癌細(xì)胞中引發(fā)了Caspase-3依賴性GSDME切割,誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡,觸發(fā)免疫殺傷,有效抑制了繼發(fā)腫瘤的生長。作者進(jìn)一步擴(kuò)大了該策略的應(yīng)用范圍,在多種腫瘤細(xì)胞中展示了細(xì)胞焦亡介導(dǎo)的免疫治療潛力。

  此外,作者通過改進(jìn)計(jì)算建模流程,將“化學(xué)開關(guān)”從酶活口袋拓展至蛋白質(zhì)到互作界面,實(shí)現(xiàn)了蛋白–蛋白相互作用的精確調(diào)控,并開發(fā)了生物正交“門控”雙特異性抗體,用于腫瘤免疫治療。在該應(yīng)用中,作者通過遺傳編碼將TCOY引入抗CD3抗體(aCD3),并將其與腫瘤靶向模塊結(jié)合,構(gòu)建了具有條件性激活能力的“開關(guān)”型T細(xì)胞接合器(T cell engager, TCE)。隨后通過活體生物正交剪切技術(shù)恢復(fù)T細(xì)胞活性,精確激活腫瘤部位的T細(xì)胞,有效避免了系統(tǒng)性細(xì)胞因子釋放綜合征(CRS)及其引發(fā)的毒性反應(yīng),提高了治療安全性,為在實(shí)體瘤的免疫治療中,將免疫原性低的“冷”腫瘤轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙庖咴缘摹盁帷蹦[瘤提供了新的途徑。


CAGE-Proxvivo蛋白質(zhì)活體原位激活通用平臺應(yīng)用:在活體動物中按需激活蛋白質(zhì)功能;調(diào)節(jié)細(xì)胞表型,誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生焦亡,增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng);精確調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用,實(shí)現(xiàn)生物正交“門控”雙特異性抗體,用于按需招募和激活T細(xì)胞

  除TCOY外,作者基于統(tǒng)一的機(jī)器學(xué)習(xí)模型成功進(jìn)化出可識別反式環(huán)辛烯-半胱氨酸(TCOC)的PylRS變體,并通過CAGE-Proxvivo策略實(shí)現(xiàn)了半胱氨酸的可控化學(xué)遮蔽以及活體內(nèi)蛋白功能的精準(zhǔn)調(diào)控。該研究進(jìn)一步展示了結(jié)合蛋白質(zhì)語言模型與結(jié)構(gòu)建模特征的混合策略在底物譜拓展中的有效性和普適性,有望實(shí)現(xiàn)更多天然氨基酸的遮蔽-脫籠,為活體內(nèi)生物大分子功能和生命過程的精準(zhǔn)操控建立通用平臺。


機(jī)器學(xué)習(xí)模型成功進(jìn)化出可識別反式環(huán)辛烯-半胱氨酸(TCOC)的PylRS變體,并通過CAGE-Proxvivo策略實(shí)現(xiàn)了半胱氨酸的可控化學(xué)遮蔽以及活體內(nèi)蛋白功能的精準(zhǔn)調(diào)控

  陳鵬、王初為本文的共同通訊作者。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院已畢業(yè)博士研究生汪欣(現(xiàn)深圳灣實(shí)驗(yàn)室博士后)、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院副研究員劉源為本文的共同第一作者。

  本工作獲得科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京分子科學(xué)國家研究中心、新基石基金會和北京大學(xué)AI4S等項(xiàng)目的支持。

免責(zé)聲明:

① 凡本站注明“稿件來源:中國教育在線”的所有文字、圖片和音視頻稿件,版權(quán)均屬本網(wǎng)所有,任何媒體、網(wǎng)站或個人未經(jīng)本網(wǎng)協(xié)議授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、鏈接、轉(zhuǎn)貼或以其他方式復(fù)制發(fā)表。已經(jīng)本站協(xié)議授權(quán)的媒體、網(wǎng)站,在下載使用時必須注明“稿件來源:中國教育在線”,違者本站將依法追究責(zé)任。

② 本站注明稿件來源為其他媒體的文/圖等稿件均為轉(zhuǎn)載稿,本站轉(zhuǎn)載出于非商業(yè)性的教育和科研之目的,并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其內(nèi)容的真實(shí)性。如轉(zhuǎn)載稿涉及版權(quán)等問題,請作者在兩周內(nèi)速來電或來函聯(lián)系。

相關(guān)新聞