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里程碑!刘如谦团队开发出蛋白酶编程进化系统 可选择性切割特定蛋白质靶点

Evelyn Zhang

博德研究所刘如谦(David R.Liu)及哈佛医学院Dong Min领导的一个研究小组开发了一种蛋白酶重编程的进化方法。在他们发表在《科学》(Science)杂志上的论文中,研究小组描述了他们的技术是如何工作的,以及在测试中表现如何。

文章概述了重新设计肉毒杆菌毒素的努力,以及研究人员在这项新工作中如何应用于此类研究。

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蛋白酶是一种分解蛋白质和多肽的酶。在许多情况下,作为身体自然过程的一部分,它们会切断特定部位的蛋白质。近几年来,科学家们一直在寻找让蛋白酶以期望的方式去切割酶的方法。

人们相信,这将允许开发一系列新的疗法和生物技术应用。在这项新的努力中,研究人员已经开发出一种利用进化方法实现这一目的的方法。

在研究中,他们开发了一种实验室进化方法,可以快速迭代升级蛋白酶,切割新的蛋白质序列,并使其失去切割非目标序列的能力。最终,实验得以产生具有定制特异性的蛋白酶。

这项工作涉及到创造一种噬菌体辅助的、基于进化的过程的变体,随着时间的推移,允许对某些蛋白酶活性同时进行阳性和阴性选择。它依赖于将给定的蛋白酶结构域的特性与噬菌体的感染性结合在一起,然后让蛋白酶经过几代进化,直到理想的特性出现。

利用这种方法,他们进化出肉毒杆菌神经毒素蛋白酶,这是一种用于病人的重要酶,可以选择性地切割新的靶点,包括一种与这些蛋白酶本身切割的蛋白无关的蛋白。

这项研究涉及到肉毒毒素神经毒素(botulinum neurotoxins),众所周知,肉毒毒素在某些情况下是有毒的,在另一些情况下是有治疗作用的。

他们开发的方法使他们能够首先识别出想要的基质,然后在进化过程展开时对其他基质进行选择。研究人员用他们的技术重新编程一种蛋白酶,使其以他们想要的方式切割肉毒杆菌神经毒素E的底物之一。

研究还表明,他们的技术可以用来重新编程蛋白酶来创造全新的底物。Stenmark指出,该小组的工作可能会对医学研究的某些领域产生重大影响——例如,按需重新编程蛋白酶可能会导致涉及痛觉的裂解蛋白。

在这一过程中,研究人员们开发了一个具有同时阳性和阴性选择的噬菌体辅助蛋白酶进化系统,并将其应用于三种肉毒杆菌神经毒素(BoNT)轻链蛋白酶。

实验中,他们将BoNT/X蛋白酶进化成能够优先切割泡囊相关膜蛋白4 (VAMP4)和Ykt6的不同变体,将BoNT/F蛋白酶进化成选择性切割非原生底物VAMP7,并将BoNT/E蛋白酶进化成切割磷酸酶和紧张素同源物(PTEN),但不能切割神经元中的任何天然BoNT蛋白酶底物。

进化后的蛋白酶在特异性上显示出很大的变化(218倍-11,000,000倍),并能保留形成能自我传递到初级神经元的全息毒素的能力。

这些发现建立了一个多功能的平台,可以重新编程蛋白酶,选择性地切割新的治疗兴趣的靶点。

上述研究成果题为“Phage-assisted evolution of botulinum neurotoxin proteases with reprogrammed specificity”,于2月19日在线发表在《科学》(Science)杂志上。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源:https://science.sciencemag.org/content/371/6531/803

https://phys.org/news/2021-02-evolutionary-method-reprogramming-proteases.html


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