国科大导师朱顺义团队揭示蛋白质的内稳态在抗真菌肽工程化中的意义

  • 文/朱顺义研究组 图/朱顺义研究组 (中国科学院动物研究所)
  • 创建于 2021-08-12
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  2021年7月28日,国际进化生物学领域重要期刊《Mol Biol and Evol》在线发表了中国科学院动物研究所朱顺义研究员团队在抗真菌肽工程化改造领域的最新科学发现(Evolution-Based Protein Engineering for Antifungal Peptide Improvement)。该发现首次揭示了蛋白质中一类独特的氨基酸位点介导的内稳态可用于抗真菌肽的蛋白质工程改造。

  由于抗真菌药物耐药性的不断发展,开发基于多肽支架的新型抗真菌药物近年来已成为抗生素科学领域的新的热点。传统的蛋白质工程技术,如定向分子进化、结构优化、计算机辅助的语言学模型(linguistic model)设计以及祖先序列重建等,虽然获得了一定的成功,但是由于多肽内在的序列、结构和功能以及作用靶点的复杂性限制了它们的广泛应用,已成为本领域的一大难题。

  为应对此挑战,该团队首次提出并应用抗真菌肽的进化记录(evolutionary record)信息成功实现了对线虫来源的抗真菌肽柯莱姆素5号(Cremycin-5)(Zhu & Gao, 2014. Nature Communications)的人工改造。首先,利用并系同源基因(paralog)的功能分化特性结合定点丙氨酸扫描技术,他们筛选到一个活性增强的氨基酸位点。然后,利用定点饱和突变技术,他们获得了一系列针对多个丝状真菌和单细胞病原酵母(白色念珠菌)活性增强的突变体。研究发现,除了酸性氨基酸的保守性替代之外,其它几乎所有的非酸性氨基酸的替代均显著提升了野生型肽的抗真菌活性。系统评估代表性突变体E15K的抗真菌治疗潜能证明其为一个新的抗真菌药物的先导物。基于这类位点突变效应的侧链化学不依赖性以及突变体广谱增强的抗菌活性,他们将其命名为“普遍可增强的活性调节位点”(Universally Enhanceable Activity-Modulating Site, UEAMS)。进一步的研究发现,UEAMS的进化受到遗传背景相关的上位性(epistasis)调节,用以维持蛋白质内稳态的均衡。人工定点突变此类位点的氨基酸打断平衡可以显著改进人类所需的分子性状(图一)。

  该工作获得了国际同行的高度认可(1. “The paper is a nice demonstration of peptide engineering using information from genetics, biophysical properties, and activity to guide efforts.”; 2. “They introduce a very interesting concept of a “Universally Enhanceable Activity-Modulating Site”)。其科学意义在于:(1)首次利用进化记录信息改进了多肽的抗真菌活性;(2)发现了上位性调节的特定位点残基的保守性在维持蛋白质内稳态方面的作用;(3)揭示了此类位点在蛋白质进化和工程化界面的重要意义。

  该工作的第一作者顾晶为动物研究所多肽生物学及进化研究组的已毕业博士生。朱顺义研究员为通讯作者。日本北陆先端科学技术大学院大学(JAIST)的Shinya Ohki教授参加了此项研究。该工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

  朱顺义研究员长期致力于生物活性肽的生物学及进化和工程化研究,近几年来他们在多肽(蝎毒素和抗真菌肽)的起源、进化和新分子设计方向取得了持续的科学发现,其学术成果已连续五次发表于《Mol Biol and Evol》期刊上,推动了多肽进化生物学领域的进步。

  论文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34320203/

图1. 上位性控制的“可增强的活性调节位点”的进化维持了抗真菌肽的内稳态;人工突变打断内稳态的平衡可用于抗真菌肽的工程化设计,用以获得人类所需的增强版的药物先导物。

责任编辑:高塬