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《蛋白质快速降解分子工具再升级》

  • 来源专题：生物科技领域知识集成服务
  • 编译者： 陈方
  • 发布时间：2020-04-08

  • 细胞功能依赖于蛋白质的功能，而这些蛋白质功能受到干扰往往会导致疾病的产生。细胞生物学研究的核心目标是确定单个蛋白质的功能以及它们的干扰如何导致疾病。
    蛋白质功能研究的一种常用方法是将蛋白质快速地从细胞中去除然后观察其变化。在过去几年中，研究人员已经开发出几种技术来实现这一目标。其中一种技术被称为生长素诱导降解因子（auxin-inducible degron，AID）。该方法利用一类植物激素的信号传导来快速降解细胞中的单个蛋白质。然而，非生长素诱导的基础降解和生长素诱导降解的低效性往往限制了该方法的应用。
    2019年8月26日，芬兰赫尔辛基大学在Nature Methods上发文表示，他们设计了一种更加高效的AID系统，由生长素受体F-box蛋白At AFB2和短降解因子miniIAA7组成。该系统改善了生长素依赖性，使基础降解减少到最小，并且能够在1小时内快速诱导降解内源性人跨膜、细胞质和核蛋白等多种类型的蛋白质，具有强大的功能表型。
    研究人员通过优化AID系统的功能扩展了该技术的潜在用途。目前，该技术主要用于基础研究领域，随着基因技术的进步，它还有助于拓展新型诊断和治疗方法。

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  • 《Nature | 通过分子内二价胶进行靶向蛋白质降解》
    • 来源专题：战略生物资源
    • 编译者：李康音
    • 发布时间：2024-02-24
    • 2024年2月21日，邓迪大学等机构的研究人员在Nature发表题为Targeted protein degradation via intramolecular bivalent glues的文章。 靶向蛋白降解是一种药理学方式，它基于诱导 E3 泛素连接酶和靶蛋白的接近来促进靶标泛素化和蛋白酶体降解。这是通过蛋白水解靶向嵌合体 （PROTAC） 实现的——由两个独立部分组成的双功能化合物，分别结合靶标和 E3 连接酶，或者通过单价结合连接酶或靶标的分子胶。 该研究利用正交遗传筛选、生物物理表征和结构重建，研究人员研究了 BRD2 和 BRD4 的双功能降解剂（称为分子内二价胶 （IBG））的作用机制，并发现它们不像 PROTAC 那样连接反式中的靶标和连接酶，而是同时结合并连接顺式中靶蛋白的两个相邻结构域。这种构象变化将 BRD4 “粘合”到 E3 连接酶 DCAF11 或 DCAF16 上，利用内在靶标连接酶亲和力，在没有化合物的情况下不会转化为 BRD4 降解。对三元 BRD4–IBG1–DCAF16 复合物的结构见解指导了低皮摩尔效力的改进降解剂的合理设计。 因此，研究人员引入了一种新的靶向蛋白质降解模式，它通过桥接顺式中的蛋白质结构域来增强与 E3 连接酶的表面互补性，从而实现高效的泛素化和降解。
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  • 《ACS Catalysis封面：微生物所吴边团队通过计算机蛋白质设计实现温和条件下微塑料的生物降解》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2021-01-21
    • 塑料工业已逐渐发展为国民经济的支柱产业，在给人类社会的生活、生产带来方便的同时，也导致大量的废旧塑料垃圾不断产生。由于其固有的硬度、强度、耐用性及稳定性需求，废弃塑料制品无法自动降解，长期暴露对环境造成严重危害。目前塑料垃圾的处理方式通常是填埋和焚烧，这种“生产-废弃-处理”的单向过程既不符合循环经济的理念，也无法从源头解决“白色污染”问题。 　　2004年，英国普利茅斯大学的 Richard C. Thompson 等人在《Science》杂志发表短文，提出了“微塑料”的概念。大量不可降解的微小塑料碎片（~20 μm）在环境中逐步转移到土壤和海洋，最终进入生态圈和食物链，被包括人类在内的生物摄入，威胁人类健康和动植物的生存，发展绿色生物降解策略已成为生态、环境等领域发展的迫切需求。2016年，日本京都工艺纤维大学的Kohei Oda团队在《Science》杂志报道了首个可以在30oC下可有效降解低结晶度PET塑料的IsPETase降解酶。然而，该酶稳定性极差，并不能满足生物降解实际应用需求。 　　近日，中国科学院微生物研究所的吴边团队提出了一种提出新型蛋白质稳定性计算设计策略（greedy accumulated strategy for protein engineering, GRAPE）（图1），基于计算机蛋白质设计对IsPETase进行了稳定性改造，获得了鲁棒性显著增强的重设计酶，为拓宽生物降解塑料的应用场景提供了新思路。 该团队首先采用融合策略，综合使用四种不同的单点预测算法辅以结构缺陷分析，预测了85个潜在有益突变。随后，他们对预测突变进行了实验检验，获得了21个有益单点突变（ΔTm ≥1.5°C）。通过K-means聚类算法，作者将21个有益单点突变分为3个Cluster，并依据贪婪算法（图2）对每个Cluster进行迭代叠加。 经过10轮迭代叠加，作者成功获得熔融温度提高31°C的IsPETase突变体（命名为DuraPETase）。在温和条件下，DuraPETase对30%结晶度PET薄膜的降解效率相较于野生型提升了300倍（图3B）。通过扫描电镜可观察到，经DuraPETase处理后的PET薄膜内部结构发生了显著的腐蚀变化（图3D）。 随后，作者对DuraPETase蛋白晶体结构进行解析（图4），验证了突变体活性位点区域氨基酸之间协同相互作用，探究了DuraPETase性能改善的分子机制。值得注意的是，该项研究实现了2 g/L微塑料在温和条件下的完全降解，为废水中微塑料的预处理提供新的处理思路。 GRAPE策略的优势在于运用聚类算法和贪婪算法，对计算获得的有益突变体进行系统聚类分析再结合贪婪算法进行网络迭代叠加，大幅规避了不同突变位点间的负协同相互作用，在较短时间内最大限度的探索序列空间叠加路径。该项研究为计算机辅助蛋白质改造提供了新思路，也为进一步了解和推进自然环境中的聚酯水解提供了有价值的工具。近期这一成果发表在《ACS Catalysis》杂志上，并被评选为当期封面文章。中国科学院微生物研究所助理研究员崔颖璐及博士研究生陈艳春为论文共同第一作者，吴边研究员为通讯作者。微生物研究所向华研究员、唐双焱研究员、杜文斌研究员；天津工业生物技术研究所刘卫东团队；中科大刘海燕团队；南京大学梁勇团队以及加州大学Houk教授为该工作的完成提供了重要的指导与帮助。 　　 　　该研究得到了国家自然科学基金委员会与欧盟合作项目《合成塑料降解转化微生物菌群》、国家重点研发计划、国家自然科学基金优秀青年项目和面上项目、中国科学院战略生物资源服务网络计划生物资源衍生库项目、以及北京市自然科学基金项目的支持，并获得了诺维信公司的宝贵技术支持和帮助。
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