张文彬课题组发展异质缠结基元实现蛋白质高阶索烃及人工抗体的生物合成

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拓扑是链式大分子的重要结构属性。变化拓扑结构也是调控大分子性质和功能的常用手段。近年来，具有环状、打结和链环等非线性化学拓扑结构的蛋白质被陆续发现，其研究揭示了拓扑结构可能会给蛋白质带来稳定化作用。这为工业酶、蛋白质药物等研发改性提供了崭新的思路。基于“组装-反应”协同的思想，人们利用可基因编码的蛋白质缠结基元和反应基元，已经实现了不同拓扑蛋白质的高效生物合成，并意识到这些基元对于发展蛋白质拓扑工程至关重要。目前，尽管可基因编码的蛋白质偶联工具已经获得了极大的丰富与发展，高效可控的蛋白质缠结基元却相对缺乏，大大限制了复杂拓扑结构的合成。最近，张文彬课题组对经典的p53dim蛋白质同质缠结基元进行工程化，发展了高效特异的蛋白质异质缠结二聚体，实现了包括蛋白质高阶索烃的生物合成，并初步探索了其在人工抗体领域的应用。

       p53dim是源于肿瘤抑制蛋白p53的一个同质二聚缠结基元。在该工作中，研究者在其二聚界面通过突变引入带电残基，利用静电作用“同类相斥、异类相吸”的特点，使同质二聚体变得不稳定，得到一对异质二聚的p53dim缠结基元:X+（T5R/Q7R）和X-（T5E/Q7E）（其中T为苏氨酸，Q为谷氨酰胺，R为精氨酸，E为谷氨酸）。该基元可在细胞内选择性诱导两条不同蛋白质链缠结组装，结合彼此正交的分离型内含肽介导的偶联关环反应，就可制备含有不同目标蛋白的蛋白质异质索烃。而通过分别表达含有2个或3个串联X-基元的大环蛋白骨架和与之缠结组装的含有1个X+基元的小环蛋白基元，结合彼此严格正交的分离型内含肽主链偶联反应和谍标签-谍捕手侧链偶联反应，即可进一步在细胞内原位实现蛋白质[3]索烃和[4]索烃的高效合成。该体系还容许通过基因编码在小环内插入多种不同结构的目标蛋白质（如人表皮生长因子受体2的亲和体AffiHER2和超折叠绿色荧光蛋白sfGFP），为构建兼具多价性和稳定性的功能蛋白质提供了优良的结构骨架。此类含有AffiHER2的高阶蛋白质索烃可被看成是多价的人工抗体类似物，因此命名为[n]索烃抗体（如[3]catbody和[4]catbody）。[n]索烃抗体展示了比野生型AffiHER2更高的亲和力和稳定性。例如，[4]索烃抗体的亲和力提升了约8倍，而其在小鼠体内的半衰期也从前体的~0.5小时延长到了~5.1小时，并可在肿瘤处实现富集。该工作使复杂高阶索烃的生物合成成为可能，并揭示其在蛋白质药物开发中富具前景。
       该研究近期在线发表于Journal of the American Chemical Society。北京大学化学与分子工程学院博士后吴文豪为该论文第一作者。北京大学化学与分子工程学院张文彬教授和中国科学院过程工程研究所魏炜研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了北京分子科学国家研究中心，科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京大学临床医学+X青年专项、生化工程国家重点实验室开放基金以及中国博士后科学基金的资助。
       原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c06169
  
       文章来源：北京大学
       张文彬，男，1981年出生，现任北京大学化学与分子工程学院特聘研究员，博士生导师. 2004年和2010年分别获北京大学学士和美国阿克伦大学博士学位，之后先后在阿克伦大学和加州理工做博士后研究. 2013年8月加入北京大学化学学院.主要研究方向为结合合成高分子和生物高分子的独特基元和设计理念，发展具有不寻常结构和性质的精密结构大分子材料。获中共中央组织部计划(2013年)、日本化学会杰出讲座奖(2017年)等荣誉。
        魏炜，中国科学院过程工程研究所研究员，博导，国家优青。2004年获北京大学医学部药学院学士学位，同年保送进入中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室进行硕博连读，2011年获得博士学位后留所工作，2013年成为首位破格晋升的副研究员，2016年破格晋升为研究员。在Nature Materials、Nature Communications、Immunity、JACS、Advanced Materials、ACS Nano、Advance Functional Materials、Biomaterials等著名学术期刊上共发表SCI论文70篇，H因子28，他引3000余次；其中第一作者和通讯作者共43篇，10篇为封面文章，参与编写中英文论著5部。先后获得中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士论文、中国科学院卢嘉锡青年人才奖、中国颗粒学会青年科学家奖、中国药学会青年药剂学奖、侯德榜化工青年科技奖等多个奖项，并入选中国科学院青年促进会优秀会员、北京市科技新星计划、北京市青年拔尖人才计划和北京市高创人才计划。