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化学学院张文彬课题组在活性蛋白质索烃研究中取得新进展

近日,北京大学化学与分子工程学院张文彬课题组将大肠杆菌胞内索烃化策略应用到具有生物活性的功能结构蛋白质的工程化改造中,并探究了索烃化对功能蛋白质性质的影响。相关成果以“Protein Catenation Enhances Both Stability and Activity of Folded Structural Domains”为题发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed, 2017 DOI: 10.1002/anie.201705194)。

利用 p53 缠绕二聚模板和可基因编码的谍反应可以实现折叠活性蛋白质的胞内合成和原位索烃化

超分子与 DNA 能够较为方便地实现拓扑结构如索烃的合成,但利用蛋白质构建复杂拓扑结构则具有更大的难度。近年来,张文彬研究员课题组致力于借助折叠导向的策略实现蛋白质拓扑结构在工程菌胞内环境下的合成。在之前的工作中,该课题组利用肿瘤抑制因子 p53 二聚结构域的缠结特性,借助 SpyCatcher-SpyTag 反应对实现了无序蛋白质的胞内索烃化(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 3442-3446)。为了促进索烃化效率并进一步实现蛋白质的胞内拓扑结构工程化,该课题组发展了 SpyX 基元,以高效率在胞内定向合成蛋白质索烃、强制性二聚体以及星型蛋白质,发现拓扑工程化可显著提升蛋白质的酶切耐受性(ACS Cent. Sci. 2017, 3, 473–481)。

基于 SpyX 模块,可以实现蛋白质的胞内拓扑工程化,合成蛋白质索烃、强制二聚体以及星型蛋白质

在这个工作中,该课题组进一步拓展了拓扑工程的范畴,实现了复杂功能结构蛋白质的索烃化。研究表明,绿色荧光蛋白质以及二氢叶酸还原酶均能以合适的产率、收率以及纯度实现索烃化。进一步的表征发现,索烃化对两种蛋白质的结构扰动较少,两者均保留了相应蛋白质的二级结构特征。更为重要的是,该索烃化策略为目的蛋白质的性质提升带来了良性效果:相比野生型,索烃化 GFP 的化学变性耐受能力有所增强,抗热聚集能力提高;索烃化 DHFR 的热稳定性与体外酶解耐受性都有提高,其熔点提升~4oC,而催化活性则有约 27% 的提升。值得一提的是,这些性质提升都是在不改变功能结构域本身序列的前提下实现的,提示拓扑工程是一个简单直接改进蛋白质性质的手段。

该工作首次实现了功能结构蛋白质的索烃化,并证明了索烃化对结构蛋白质性质的良性影响。这为创造新颖的蛋白质组装体以及研究蛋白质拓扑结构与功能和性质之间的联系提供了平台。

该工作得到了科技部 863 计划、国家自然科学基金委和中组部青年千人计划的资助和支持。

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201705194/full

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