一种在活体环境下瞬时激活蛋白质的化学生物学新技术

2019年5月8日，北京大学化学与分子工程学院、合成与功能生物分子中心陈鹏课题组与王初课题组在《自然》杂志在线发表题为“Time-resolved protein activation by proximal decaging in living systems”的研究论文，报道了两个课题组合作发展的一种在活体环境下瞬时激活蛋白质的化学生物学新技术。

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。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”。最近，他们与王初课题组展开合作，提出并发展了一种蛋白质“邻近脱笼”策略，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。利用这一被命名为CAGE-prox的新方法，他们建立并验证了“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，展示了这一化学生物学新技术在开展蛋白质动态功能研究与调控中的优势和特色。

“邻近脱笼”策略

陈鹏课题组先前提出的“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（Nat. Chem. Biol.2016, 12, 129）。利用这一技术，他们先后在赖氨酸（Nat. Chem., 2014, 6, 352; Nat. Chem. Biol., 2014, 10, 1003）、酪氨酸（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15118）等天然氨基酸侧链上实现了生物正交断键反应和化学脱笼，开展了激酶等蛋白质家族的特异激活和机制研究（ACS Cent. Sci, 2016, 2, 325，ACS Cent. Sci. 2019, 5, 145）。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。该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（ONBY）, 可同样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，使其活性重新恢复。由于在蛋白质活性口袋附近插入ONBY后能够通过影响蛋白稳定性、底物结合等多种因素调控蛋白质活性，该策略将原有的“活性位点脱笼”转变为“活性口袋脱笼”，极大地扩展了该方法的适用范围。

基于“邻近脱笼”策略的假设，需要保证在该“特定位点”插入ONBY时，可以通过阻断底物结合从而有效抑制蛋白质的活性，而在经过光脱除反应后，在这个位点引入的酪氨酸突变不会对蛋白质的活性产生影响。在实际操作过程中，面临的重要问题是如何在目标蛋白中快速而又准确地找到插入ONBY的“邻近位点”，从而避免对目标蛋白所有位点进行突变筛选的繁琐实验流程。王初课题组擅长利用计算机辅助的化学生物学方法在蛋白质组中发现和鉴定活性功能位点（Biochemistry,2018,57,451; ACS Cent. Sci.,2018,4, 960）。在这一合作工作中，他们借助计算机辅助的蛋白质结构设计，对目标蛋白中可以插入ONBY的合适邻近位点进行了系统地虚拟筛选，通过计算其所处位置的几何参数以及对蛋白质结构影响的能量参数选出合适推荐的位点供实验验证。这一步骤避免了繁琐的人为操作，极大地提高了CAGE-prox方法的成功率和普适性。

CAGE-prox的应用

在建立CAGE-prox的标准操作流程后，两个课题组合作分别在荧光素酶、GTP水解酶、RNA去甲基化酶FTO、蛋白激酶、caspase细胞凋亡蛋白酶和炭疽致死因子（lethal factor）金属蛋白酶等一系列不同类型的蛋白上展示了该瞬时激活方法在活体环境下的普适性。在此基础上，他们进一步利用CAGE-prox建立了活细胞内的激酶正交激活和信号转导系统，完成了细胞凋亡蛋白酶的瞬时激活和酶切底物的组学鉴定，并通过激活细菌毒素蛋白（炭疽致死因子）开发了抗肿瘤蛋白质前药的治疗策略。这一通用的蛋白质原位激活技术有望在未来应用到动态生命过程的基础研究和疾病治疗的转化研究当中。

北京大学前沿交叉学科研究院博士毕业生王杰，化学与分子工程学院博士后刘源、研究生刘衍军为该论文共同第一作者，陈鹏教授和王初研究员为本文的共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部、北京分子科学国家研究中心和北大—清华生命科学联合中心的资助。王初研究员特别感谢中组部“青年千人计划”的支持。

该论文在线发表后，得到了国内和国外同行的广泛关注。本领域国际著名专家美国北卡罗来纳大学的Klaus Hahn教授在《自然》杂志同期为本文撰写了亮点推荐介绍（原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-019-01394-1）。我国化学与生命科学交叉领域的多位专家也对该工作给予了专业点评（原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/IehHGMuHVzdilAWkjrTlSg）。