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,拥挤的细胞环境可能会影响蛋白质的折叠

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为活细胞内的每一个蛋白质安装调控开关

蛋白质发挥功能的“原位”环境是细胞,因此在细胞内开展蛋白质的结构和动力学研究对蛋白质功能的解析至关重要。细胞内大分子的浓度可以达到300-450g/L,拥挤的细胞环境可能会影响蛋白质的折叠,进而影响其功能。但是细胞环境如何影响蛋白质折叠过程目前并不很清晰。

科技日报讯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。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。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。

近日,中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员姚礼山带领的蛋白质设计研究组在细胞内蛋白质折叠研究方面取得新进展。该研究以IgG结合蛋白质GB3的两个突变体MutX

MutY为研究体系,采用核磁共振技术,对其在细胞内的折叠态与解折叠态之间的构象交换进行了表征。结果表明,蛋白在细胞内和缓冲溶液中的折叠和解折叠的动力学过程有较大差异,折叠态、解折叠态和过渡态的相对自由能受到了细胞环境的影响。进一步研究表明,这一影响主要来自于细胞内的五级作用力,但这种作用力不足以改变蛋白质的折叠态和解折叠态的构象。该研究结果也表明,离体条件下的蛋白质功能研究需要在细胞环境中进行独立验证。相关研究已发表于《美国化学会志》杂志上(JACS
2019, DOI: 10.1021/jacs.9b04435)。

该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东省泰山学者项目的支持。

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