“化學脫籠”：實現蛋白質高時間分辨的原位激活

　　在活細胞等生理環境下開展蛋白質功能的原位研究具有重要的科學意義。北京大學化學與分子工程學院陳鵬課題組長期致力于發展蛋白質的原位激活技術，希望為活細胞內的每一個蛋白質安裝“調控開關”。

　　近日這一研究組與王初課題組合作發表了題為“Time-resolved protein activation by proximal decaging in living systems”的研究論文，報道了一種在活體環境下瞬時激活蛋白質的化學生物學新技術。

　　這一研究成果公布在5月8日的Nature雜志上。陳鵬教授和王初研究員為文章共同通訊作者，第一作者為王杰、劉源和劉衍軍。本領域國際著名專家北卡羅來納大學的Klaus Hahn教授同期為文章撰寫了亮點推薦介紹。

　　在這篇文章中，研究人員提出并發展了一種蛋白質“鄰近脫籠”策略，將可遺傳編碼的非天然氨基酸脫籠技術與計算機輔助設計篩選技術相結合，在一系列不同種類的蛋白質上實現了高時間分辨的原位激活，為在活細胞及活體動物內研究蛋白質的動態調控機制提供了一種普適性技術。

　　利用這一被命名為CAGE-prox的新方法，他們建立并驗證了“激酶正交激活和信號轉導調控”、 “時間分辨的蛋白質組學分析”，“基于毒素蛋白的抗腫瘤蛋白前藥”等一系列原創應用，展示了這一化學生物學新技術在開展蛋白質動態功能研究與調控中的優勢和特色。

　　陳鵬課題組先前提出的“化學脫籠”策略，可通過對蛋白質關鍵殘基的化學保護和脫保護反應，實現對其活性的“關－開”調控。利用這一技術，他們先后在賴氨酸等天然氨基酸側鏈上實現了生物正交斷鍵反應和化學脫籠，開展了激酶等蛋白質家族的特異激活和機制研究。由于細胞內蛋白質的種類繁多、活性調控機制各異，目前該方法仍受可供脫籠的氨基酸種類限制，無法適用于所有蛋白質。

　　為了解決這一瓶頸問題，陳鵬課題組與王初課題組合作提出了“鄰近脫籠”的新策略。通過向蛋白質活性中心附近引入一種帶有光保護基團的非天然酪氨酸（ONBY）, 可同樣實現對其活性的遠程干擾和抑制；隨后通過“光脫籠”反應將保護基團移除，使其活性重新恢復。由于在蛋白質活性口袋附近插入ONBY后能夠通過影響蛋白穩定性、底物結合等多種因素調控蛋白質活性，該策略將原有的“活性位點脫籠”轉變為“活性口袋脫籠”，極大地擴展了該方法的適用范圍。

　　基于“鄰近脫籠”策略的假設，需要保證在該“特定位點”插入ONBY時，可以通過阻斷底物結合從而有效抑制蛋白質的活性，而在經過光脫除反應后，在這個位點引入的酪氨酸突變不會對蛋白質的活性產生影響。在實際操作過程中，面臨的重要問題是如何在目標蛋白中快速而又準確地找到插入ONBY的“鄰近位點”，從而避免對目標蛋白所有位點進行突變篩選的繁瑣實驗流程。

　　王初課題組擅長利用計算機輔助的化學生物學方法在蛋白質組中發現和鑒定活性功能位點。在這一合作工作中，他們借助計算機輔助的蛋白質結構設計，對目標蛋白中可以插入ONBY的合適鄰近位點進行了系統地虛擬篩選，通過計算其所處位置的幾何參數以及對蛋白質結構影響的能量參數選出合適推薦的位點供實驗驗證。這一步驟避免了繁瑣的人為操作，極大地提高了CAGE-prox方法的成功率和普適性。

　　在建立CAGE-prox的標準操作流程后，兩個課題組合作分別在熒光素酶、GTP水解酶、RNA去甲基化酶FTO、蛋白激酶、caspase細胞凋亡蛋白酶和炭疽致死因子（lethal factor）金屬蛋白酶等一系列不同類型的蛋白上展示了該瞬時激活方法在活體環境下的普適性。在此基礎上，他們進一步利用CAGE-prox建立了活細胞內的激酶正交激活和信號轉導系統，完成了細胞凋亡蛋白酶的瞬時激活和酶切底物的組學鑒定，并通過激活細菌毒素蛋白（炭疽致死因子）開發了抗腫瘤蛋白質前藥的治療策略。這一通用的蛋白質原位激活技術有望在未來應用到動態生命過程的基礎研究和疾病治療的轉化研究當中。