Angew. Chem.：套索蛋白质的理性设计、生物合成与拓扑结构转换

自然界中天然拓扑蛋白质所特有的功能优势不断激励着研究者们去开发各类人工拓扑蛋白质并探索其应用价值。近年来，通过合理设计和工程改造拓展蛋白质拓扑结构的多样性，探究拓扑结构和功能的关系及其在酶催化和生物医药等领域的应用，已经成为蛋白质工程的一个新方向。天然套索肽/套索蛋白质所具有的独特套索构型赋予了它们广泛的生物活性和优异的稳定性，但是由于难以控制蛋白质的分子内链缠结以及协同的位点特异性偶联，套索蛋白质的人工设计和合成仍然是一个较大的难题。

近日，北京大学张文彬（点击查看介绍）课题组基于组装-反应协同的策略，通过合理的基因设计成功实现了套索蛋白质的理性设计和生物合成。该策略将p53dim结构域的分子间二聚转变为分子内二聚来导向分子内链缠结的形成，结合谍标签-谍捕手反应对介导的定点环化，即可在胞内高效地合成套索蛋白质。实验表明这是一种简单高效的套索蛋白质模块化合成策略。通过基因编码，可在不影响套索结构形成的前提下，对其骨架结构进行修饰，包括改变环区的大小、插入反应性序列、在套索蛋白质的C-端插入折叠蛋白质等。同时，套索蛋白质可作为反应前体，利用可控的键断裂和链连接反应，通过拓扑转换构建蛋白质轮烷和异质索烃，进一步拓展了蛋白质拓扑结构的多样性。另外，p53dim结构域折叠-解折叠的特性赋予了套索蛋白质独特的动态特性，使其可在“穿环”的套索结构和“出环”的支化环状结构之间相互转化；而与之相应的蛋白质准轮烷结构则可以作为前体构建蛋白质滑环水凝胶。相比于由套索蛋白质构建的“固定环”水凝胶，滑环水凝胶表现出完全不同的应力响应行为以及显著提高的溶胀比。由于两种网络组成相同而拓扑结构迥异，它们的性质不同体现了拓扑的结构效应。总的说来，本工作通过控制分子内的链缠结实现了套索蛋白质和蛋白质异质索烃的模块化合成，为拓扑蛋白质的构建提供了新的思路，丰富了现有的拓扑蛋白质库，同时也为构建相应的蛋白质基拓扑材料打下坚实的基础。

图1. 通过分子内缠结介导套索蛋白质的生物合成，并以其为前体利用拓扑结构转换构建蛋白质轮烷、异质索烃和蛋白质基滑环水凝胶。

该研究近期在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.，北京大学化学与分子工程学院博士生刘雅杰为该论文的第一作者。北京大学化学与分子工程学院张文彬教授和韩国浦项科技大学Jongcheol Seo教授为共同通讯作者。东华大学先进低维材料中心刘庚鑫研究员在蛋白质水凝胶的流变学研究上提供了重要帮助。该工作得到国家自然科学基金、北京分子科学国家研究中心创新项目和北京大学临床医学+X青年专项项目的支持。

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Lasso Proteins: Modular Design, Cellular Synthesis and Topological Transformation

Yajie Liu, Wen-Hao Wu, Sumin Hong, Jing Fang, Fan Zhang, Geng-Xin Liu, Jongcheol Seo, Wenbin Zhang

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202006727

导师介绍

张文彬

https://www.x-mol.com/university/faculty/8713