用类肽残基重新构建胶原三螺旋

注：文末有本文科研思路分析

在20个天然氨基酸中，脯氨酸是唯一具有N取代基团的氨基酸，它促进了独特的蛋白质二级结构。在众多N取代的类氨基酸化合物中，为什么自然进化只选择了脯氨酸来构建蛋白质？以脯氨酸为代表的N取代类氨基酸在蛋白折叠中的规律有哪些？近日，Journal of the American Chemical Society 发表了李旸等研究人员在犹他大学的工作，对这些问题做了深入探讨。

普通氨基酸（左）的侧链连在α碳原子上。而与脯氨酸（中）类似，N-取代甘氨酸N-gly（右）的侧链连接在氨基氮原子上。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

他们的研究以一种常见又重要的蛋白质——胶原蛋白为模型。胶原蛋白是人体中含量最丰富的蛋白质，是几乎所有人体组织的必要组分。其高脯氨酸含量对形成其标志性的三螺旋结构至关重要。50多年来，脯氨酸一直被认为是人工合成胶原蛋白结构和性能的必需品。研究人员希望打破这一思维定式，用N-取代甘氨酸（N-gly），也称为类肽残基，重新构建序列多样的、高稳定性的胶原三螺旋。

用类肽残基N-gly构建的序列多样的、高稳定性的三螺旋胶原肽（下），以及含有类肽残基的胶原三螺旋晶体结构（背景）。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

该研究团队发现，用众多不同的N-gly取代胶原蛋白模拟肽（CMP）序列中间的脯氨酸后，三螺旋普遍体现出接近或超过原先的稳定性。在原子分辨的多肽晶体结构、圆二色谱和分子动力学模拟计算的支持下，研究团队发现，N-gly稳定三螺旋主要是通过空间位阻，将CMP肽链预折叠成三螺旋的单链前体状态——聚脯氨酸-II螺旋。研究组还展示了带有奇异官能团的侧链（包括可点击的炔和光敏侧链）的N-gly使CMP能够用于功能性应用，包括对细胞粘附和迁移的时空控制。本研究揭示的三螺旋结构的折叠新原理与新基元，使得合成稳定的胶原三螺旋具备了前所未有的侧链多样性，这为新一代的模拟胶原结构的治疗药物和生物材料提供了广阔的新机遇。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点击查看原文）：

Peptoid Residues Make Diverse, Hyperstable Collagen Triple-Helices

Julian L. Kessler, Grace Kang, Zhao Qin, Helen Kang, Frank G. Whitby, Thomas E. Cheatham III, Christopher P. Hill, Yang Li*, and S. Michael Yu

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 10910–10919, DOI: 10.1021/jacs.1c00708

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：这项研究从想法的产生到论文正式发表经历了漫长的7年。最初的想法来自于2014年一次文献组会上讨论的关于类肽（peptoid）折叠的文献（JACS, 2011, 133, 15559）。我们课题组长期致力于天然胶原三螺旋的靶向与应用，此前很少关注非天然类肽折叠的文献。当时我们联想到，类肽残基N-gly与脯氨酸Pro在结构上十分类似，那么是否可以用N-gly来代替Pro去构建胶原蛋白模拟肽CMP呢，它们又是否能形成稳定的三螺旋结构呢？查阅文献发现，文献中没有这些问题的确定答案。事实上，自从CMP被创造出来的50多年来，几乎没有人真正研究过胶原三螺旋是否真的离不开脯氨酸。这些没有前人探索过的想法，鼓舞着我们开始了这项新奇又艰苦的研究。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是需要不断推翻自己的假说。文献中近二十年来对于胶原模拟肽CMP的工作绝大部分都聚焦在脯氨酸的衍生物（例如氟代脯氨酸）如何影响三螺旋结构稳定性上，对我们的课题的参考意义十分有限。我们很快发现N-gly可以像脯氨酸一样稳定三螺旋。开始，我们猜测这是由于其侧链的疏水性或芳香性，可是进一步研究发现一些亲水型侧链的N-gly也能稳定三螺旋，后来陆陆续续的合成了30多个、不同的N-gly取代的CMP才大致发现规律。还有，刚开始做结构模拟，一把脯氨酸换成N-gly，模拟的三螺旋结构就发生解旋、弯曲，为了说服做计算模拟的合作者，我们去长了晶体测了蛋白结构，确实是很典型的三螺旋。这就说明我们的模拟做错了，换了力场才把结构模拟对。诸如此类，一边搜集证据，一边修正观点，摸索了两年多才确认方向。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：本研究发现的胶原三螺旋的折叠规律，为合成新一代模拟胶原结构的药物和生物材料提供了重要机会。人们将可以用类肽残基构建肽库，从中筛选具有真正生物活性的胶原（类）肽分子，应用在创伤愈合、骨再生和纤维化疾病的治疗等医疗场景中。  

李旸老师科学公众号“胶原三螺旋”，欢迎关注。