蛋白质工程新突破：大环肽修饰快速设计功能蛋白质

蛋白质工程的主要作用是制造一种自然界不存在的蛋白质，来满足人们的生产和生活需要。比如：提高蛋白质中氨基酸的含量;延长药用蛋白的保存期，增加某作物的营养等。

我们知道，天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因→表达(转录和翻译)→形成氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能;而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列。现如今成功的蛋白质工程产物有：治癌酶改造，与抗体形成嵌合抗体等。

近日，东京大学的Hiroaki Suga教授和大阪大学的Junichi Takagi教授带领的研究团队发现一种套索移植方法，能够基于大环肽药效基团研究出多功能蛋白质设计。

作为下一代蛋白质治疗药物，蛋白质工程中设计多功能重组蛋白有着巨大的潜力。但多功能重组蛋白通常需要对亲本蛋白质结构进行大幅修饰，例如在N/C末端增加其他结构或用另一个结构替换。

针对这一现象，日本的科研团队发现了一个被称为RaPID(随机非标准肽集成发现)的系统。通过RaPID，能够增大快速发现以高结合特异性和亲和力结合靶蛋白的大环肽的可能性。

利用大环肽较好的结合特性，日本科研团队证实快速衍生的药效团序列可以很容易地植入重组蛋白表面暴露的环中，并维持亲本肽结合功能和宿主蛋白功能。这种蛋白质工程方法称为“套索移植”。

大环肽是一类人工合成的化合物，作为一种新的药物形式正迅速受到关注。与传统的小分子药物相比，大环肽在靶蛋白结合表面的足迹一般与典型抗体相当。大环肽尽管大小不一(MW在1000-3000Da范围内)，却具有高特异性和亲和力。

通过使用RaPID系统，将mRNA显示与遗传代码重编程结合起来，研究人员已经从由1012多个序列组成的随机序列库中分离出新的大环肽，从而获得了针对各种靶标的多种结合剂。这些肽通常表现出对靶标的精准的结合特异性和高亲和力，并且已被证明在诸如受体拮抗剂或激动剂，结晶伴侣蛋白和成像/检测工具的应用中非常有用。

通过RaPID系统能够以惊人的速度鉴定有效物种，但由于其不可预测的药代动力学和生物利用度的困扰，使得生成的大环肽却不一定能够用于药物治疗。如果先从大环肽中快速鉴定药效团，然后再将其模块化整合到天然人蛋白质中，这将产生一种同时具有大环化合物和蛋白质优点的更可靠的药物形式。

研究学者表明，当硫醚环封闭部分被折叠良好的天然蛋白质结构域取代时，快速衍生的大环肽的结合能力可以保持。巧合的是，这并不需要任何特殊的蛋白质工程工作，只需简单地获取RaPID肽的内部序列，并简单地将这个套索样的部分插入到广泛蛋白质的表面暴露环中来实现。这种蛋白质工程方法称为“套索移植”，并证明它可以赋予对各种受体的特异性结合能力，使其进入包括IgG和血清白蛋白在内的多种结构中。套索移植得双、三、甚至四特异性粘合剂分子能够迅速制定和生产。此外，这种简单的方法也能够产生一种靶向特异性AAV载体，它可以通过套索肽-受体相互作用单独感染细胞。

资料来源：[1].Mihara, E., Watanabe, S., Bashiruddin, N.K. et al. Lasso-grafting of macrocyclic peptide pharmacophores yields multi-functional proteins.Nat Commun12, 1543 (2021).