蛋白质组学

蛋白质清道夫:纳米功能化蛋白酶用于特定蛋白质的清除

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蛋白酶是水解多肽和蛋白质中肽键的一类酶的总称。蛋白酶的种类丰富,广泛存在于各类生物体中并发挥着不同的生物功能。通常情况下,蛋白酶可以识别蛋白质分子中特定的肽序列并在合适的环境下水解该蛋白质。由于蛋白质在生理过程中发挥十分重要的功能性或调节性作用,如果能选择性地清除机体中的关键蛋白质,不仅可以帮助人们理解蛋白质的具体功能,还有可能治疗某些疾病。然而,由于蛋白酶的选择性只集中在肽序列上,而对某一特定蛋白质的选择性较差,因而制约了其在生物医学领域中的应用。因此,近年来学术界提出了多种方法,如利用基因编辑技术或RNA干扰技术删除细胞内某一特定蛋白质;使用特异性的抗体来屏蔽某些蛋白质的功能;使用小分子抑制剂来抑制某些蛋白质的活性等。然而,这些方法都有着各自的局限性。例如,基因编辑方法的操作既繁琐复杂,又需要训练有素的操作者,而且一般无法直接用于干扰体外蛋白质功能;抗体的制备十分昂贵,而且稳定性较差,不易保存;小分子抑制剂的筛选与合成则需要预先解析出蛋白质的晶体结构。

近日,南京大学/上海大学的李根喜、李超团队提出了一种新的解决方案。他们设想,如果能够赋予蛋白酶以选择性,使它可以特异性地水解特定的蛋白质分子,就可能提供一种新的工具用来消除或抑制某种蛋白质的功能。为此,他们设计、合作了一种纳米功能化的蛋白酶,它可以选择性的清除溶液中特定的蛋白质分子,从而抑制其活性。这种具有选择性的蛋白酶是一种纳米复合物,它主要由三种元素组成,即核酸适配体、蛋白酶和金纳米颗粒。其中,核酸适配体可以与特定蛋白质分子高亲和力和选择性结合,用于捕捉溶液中的靶分子;蛋白酶则专职水解靶标蛋白质分子;金纳米颗粒可以提供一个稳定的载体平台将上述功能元件组合到一起。此外,为了提高该纳米功能化蛋白酶的性能,他们引入了聚乙二醇,用于提高纳米颗粒的抗污能力,减小复合物与溶液中杂质的相互作用。

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图1. 选择性纳米功能化蛋白酶的工作原理。

该纳米功能化蛋白酶的工作原理如图1所示,核酸适配体选择性地与目标蛋白结合并将其拉到金纳米颗粒表面。由于核酸适配体与蛋白酶共修饰在金纳米颗粒表面,两者的空间距离非常接近,十分有利于蛋白酶水解被拉到金颗粒表面的目标蛋白质;然后,裂解的蛋白质分子由于构象发生变化,将从核酸适配体上脱落下来,而变成自由状态的核酸适配体又可以与下一个目标蛋白质分子结合,进行下一个工作循环,意味着少量的纳米功能化的蛋白酶就可以产生显著的清除效应,并且将非选择性蛋白酶转化为一种能特定水解某种蛋白质的特定酶。

在该工作中,他们通过一系列优选实验,确定了一种商业化的广谱丝氨酸蛋白酶Proteinase K (ProK)作为本底蛋白酶,因为它对多种蛋白质具有极佳的水解效果,而且价格便宜,性质稳定,适于体外实验。在验证性实验中,他们则选择了凝血酶作为靶蛋白,因为它不仅具有重要的生理学功能,而且拥有两条结构已完全解析的核酸适配体。实验结果表明(图2),该纳米功能化的蛋白酶完全满足了他们最初的设想,不仅可以高效率和高选择性地水解凝血酶,而且可以在复杂的血清样本中清除凝血酶分子而不影响其他蛋白质。此外,由于可以通过简单地替换不同的核酸适配体,使得该纳米功能化的蛋白酶可以特异性地清除其他不同的蛋白质分子,因此该工作所提出的方法具有良好的通用性,可以极大地拓宽这种纳米功能化蛋白酶的应用范围。

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图2. 纳米功能化蛋白酶对凝血酶的抑制作用。(A) 实时监测不同纳米颗粒与凝血酶预孵育后凝血酶的催化活性。(B) 纳米功能化蛋白酶浓度对凝血酶活性影响。(C) 对照实验表明纳米功能化蛋白酶具有较高的抑制效率。(D) 凝血酶与纳米功能化蛋白酶孵育不同时间后SDS-PAGE结果。(E) 纳米功能化蛋白酶的通用性和选择性研究。(F) 纳米功能化蛋白酶特异性清除血清中的凝血酶。

该工作近日发表在Chemical Communications 上,上海大学硕士研究生李玲玲同学是文章的第一作者,李根喜教授与现在合肥工业大学任教的李超副教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

A Novel Method to Engineer Protease for Selective Enzyme Inhibition

Lingling Li, Hai Shi, Anzhi Sheng, Yi Yang, Liu Shi, Chao Li*, Genxi Li*

Chem. Commun., 2019, 55, 14039-14042, DOI: 10.1039/C9CC08085F

导师介绍

李根喜

https://www.x-mol.com/university/faculty/43036

纳米
蛋白质结构
蛋白质合成
水解

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