Nat. Chem. | 非天然折疊體的核糖體合成與活性篩選

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分享一篇最近發表在Nature Chemistry上的文章,題目是“Ribosomal synthesis and de novo discovery of bioactive foldamer peptides containing cyclic β-amino acids”, 文章的通訊作者是來自日本東京大學的Hiroaki Suga教授和其課題組的Takayuki Katoh?博士,Suga教授主要研究方向包括基因編碼和非標肽段的核糖體合成等。在本文中,作者報道了用核糖體合成含有環狀β氨基酸的非天然折疊體,并篩選出能夠高效結合hFXIIa和IFNGR1蛋白的活性大環肽。




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β氨基酸由于其傾向螺旋結構的特性,可以在肽鏈中的形成穩定的折疊結構。這類含有β氨基酸形成的穩定二級結構的肽段也被稱為非天然折疊體(foldamers)。這類非天然折疊體由于其剛性常被用來構建螺旋/轉彎結構,在類β肽藥物和自組裝納米材料中有廣泛應用。含β氨基酸肽段的合成主要是通過翻譯后修飾和非核糖體合成途徑,但是通過核糖體合成途徑直接將β氨基酸肽段插入到新生肽段的效率非常低。本文作者在之前的研究中,發展出帶有T-stem和D-arm的tRNAPro1E2,實現了在新生肽段中連續7個β氨基酸的插入。在本文中,作者在此基礎上利用tRNAPro1E2核糖體合成含有環狀β氨基酸的非天然折疊體,并且用來構建了含β氨基酸大環肽的數據庫,篩選出了能高效結合hFXIIa和IFNGR1蛋白的配體。


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作者首先對兩種β氨基酸2-aminocyclohexanecarboxylic acid (2-ACHC)和2-aminocyclopentanecarboxylic acid (2-ACPC)的四種手性化合物插入到肽段中的效率進行了分析,發現其插入效率取決于β氨基酸立體結構和延長因子P(elongation factor P)。此外,作者還分析了肽基tRNA在β氨基酸插入過程中的脫落效率以及β氨基酸在肽段中的最佳插入位置。隨后作者以(1S,2S)-2-ACPC和(1S,2S)-2-ACHC兩種β氨基酸為底物,利用核糖體合成了帶有螺旋體結構非天然折疊體。


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在構建了核糖體合成非天然折疊體的數據庫后,作者通過RaPID 系統(random non-standard peptide integrated discovery)篩選出能結合hFXIIa和IFNGR1蛋白的大環肽。hFXIIa蛋白是一種參與凝血與炎癥過程的絲氨酸蛋白酶,其抑制劑可作為其潛在的抗血栓藥物。IFNGR1是IFN-γ受體,IFNGR1抑制劑可作為潛在的自身免疫疾病的藥物,激動劑也可作為抗病毒活性的藥物。作者隨后將篩選到的4種結合hFXIIa蛋白和6種結合IFNGR1蛋白的大環肽配體。通過化學合成大量篩選出來的配體后,用表面等離子共振測試其與蛋白的結合動力學。這些篩選出的配體的結合常數Ki能達到nM級,比傳統的抑制劑高出一個數量級。血清穩定性實驗也證明了這些環肽在血液中有很長的半衰期,且不易被肽酶水解。最后,作者解析了非天然折疊體F3與hFXIIa結合的晶體結構,發現F3能以底物的形式結合到hFXIIa的活性位點,并且F3中兩個(1S,2S)-2-ACPC通過誘導形成γ和 β轉彎促進了整體折疊,從而促進了分子內的相互作用。


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總之,作者通過核糖體合成了含有環狀β氨基酸的非天然折疊體,并且在這種大環肽的數據庫中篩選出了能夠高效結合hFXIIa和IFNGR1蛋白的配體。
 


本文作者:TH

責任編輯:LYP

文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41557-020-0525-1

文章引用:DOI: 10.1038/s41557-020-0525-1

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