上海交通大學(xué)等與美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家合作，開(kāi)發(fā)出一種方法，能夠使被稱(chēng)為組氨酸激酶的細菌酶實(shí)現水溶性，這一進(jìn)展可能使快速篩選可能干擾該酶功能的潛在藥物成為可能。

研究人員通過(guò)將該酶中的四個(gè)特定疏水性氨基酸替換為三個(gè)親水性氨基酸，創(chuàng )造出了新的組氨酸激酶版本。即便經(jīng)歷了這樣顯著(zhù)的改變，他們發(fā)現這種水溶性酶版本仍保留了其自然功能。

目前尚無(wú)現有抗生素針對組氨酸激酶，因此，能夠干擾這些功能的藥物可能標志著(zhù)一類(lèi)新的抗生素。面對日益嚴峻的抗生素耐藥性問(wèn)題，這類(lèi)藥物候選品顯得尤為重要。

麻省理工的主要研究科學(xué)家指出：“每年有超過(guò)一百萬(wàn)人死于抗生素耐藥性感染。這種蛋白質(zhì)是一個(gè)極佳的靶標，因為它僅存在于細菌中，而人類(lèi)并不具備。”

同時(shí)，上海交通大學(xué)的陶飛教授也是該研究論文的高級作者之一，該論文今日發(fā)表在《自然通訊》雜志上。上海交通大學(xué)的研究生李孟軻，之前曾是MIT的訪(fǎng)問(wèn)學(xué)生，是該論文的主要作者。

一種新的藥物靶點(diǎn)

許多承擔關(guān)鍵細胞功能的蛋白質(zhì)嵌入在細胞膜中。這些蛋白質(zhì)的跨膜部分是疏水性的，使它們能夠與構成膜的脂質(zhì)相結合。然而，一旦從膜中取出，這些蛋白質(zhì)往往會(huì )失去其結構，這使得研究它們或篩選可能干擾它們的藥物變得困難。

圖1：CpxA的QTY設計。

2018年，上海交大和麻省理工學(xué)院的合作團隊開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的方法，將這些蛋白質(zhì)轉化為水溶性版本，使其在水中保持結構。他們的技術(shù)被稱(chēng)為QTY代碼，這一代碼名稱(chēng)來(lái)自被整合入蛋白質(zhì)的親水性氨基酸的首字母。亮氨酸（L）變?yōu)楣劝彼幔≦），異亮氨酸（I）和纈氨酸（V）變?yōu)樘K氨酸（T），苯丙氨酸（F）變?yōu)槔野彼幔╕）。

自那以后，研究人員已在多種疏水性蛋白質(zhì)上展示了這項技術(shù)，包括抗體、細胞因子受體和轉運蛋白。這些轉運蛋白包括癌細胞用于將化療藥物排出細胞的蛋白，以及大腦細胞用于調節多巴胺和血清素進(jìn)出的轉運蛋白。

在此項新研究中，團隊首次展示了QTY代碼可以用來(lái)創(chuàng )建保持酶活性的水溶性酶。

圖2：CpxAQTY的功能表征。

研究團隊選擇關(guān)注組氨酸激酶，部分因為它作為抗生素的潛在靶點(diǎn)。目前大多數抗生素通過(guò)破壞細菌細胞壁或干擾核糖體的合成發(fā)揮作用，而核糖體是細胞制造蛋白質(zhì)的器官。沒(méi)有任何抗生素針對組氨酸激酶，這是一種重要的細菌蛋白，調控著(zhù)抗生素抗性和細胞間通信等過(guò)程。

組氨酸激酶能執行四種不同的功能，包括磷酸化（通過(guò)向其他蛋白添加磷酸基來(lái)激活它們）和去磷酸化（移除磷酸基）。人類(lèi)細胞也有激酶，但它們作用于組氨酸以外的氨基酸，因此針對組氨酸激酶的藥物不太可能對人類(lèi)細胞產(chǎn)生影響。

在使用QTY代碼將組氨酸激酶轉化為水溶性形式后，研究人員測試了其所有四種功能，并發(fā)現該蛋白仍能執行這些功能。這意味著(zhù)該蛋白可用

于高通量篩選中，快速測試潛在藥物化合物是否干擾其中任何一種功能。

結構穩定

利用AlphaFold——一種可以預測蛋白質(zhì)結構的人工智能程序，研究人員生成了新蛋白的結構，并使用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究其與水的相互作用。研究發(fā)現，該蛋白與水形成了穩定的氫鍵，幫助其保持結構。

圖3：CpxAQTY的MD模擬發(fā)現了一個(gè)廣泛的、動(dòng)態(tài)的氫鍵網(wǎng)絡(luò )，穩定了跨膜結構域。

他們還發(fā)現，如果僅替換跨膜段中的疏水氨基酸，蛋白將無(wú)法保持其功能。整個(gè)跨膜段中的疏水氨基酸必須被替換，這有助于分子維持其正常功能所需的結構關(guān)系。

研究團隊現在計劃將這種方法應用于甲烷單加氧酶，這是一種在細菌中發(fā)現的酶，能夠將甲烷轉化為甲醇。水溶性的甲烷單加氧酶可以被噴灑在甲烷釋放的地點(diǎn)，如牛群棲息的谷倉或解凍的永久凍土，從而幫助從大氣中去除大量的甲烷，這是一種溫室氣體。

研究團隊表示：“如果我們能夠在甲烷單加氧酶上使用同樣的工具，即QTY代碼，并利用該酶將甲烷轉化為甲醇，那么這可能會(huì )減緩氣候變化的速度。”

雜志：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48513-9