閆強(qiáng)課題組利用變構(gòu)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)蛋白籠的精準(zhǔn)組裝
蛋白質(zhì)籠（protein cage）是由蛋白分子以精確幾何周期性排列而成的多面體籠狀納米實(shí)體，因其類病毒衣殼的精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)與功能特性，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域、特別是在基因遞送和仿生病毒方面具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)得到學(xué)界深入關(guān)注。目前構(gòu)筑蛋白質(zhì)籠的策略主要分為兩類，一類是利用天然病毒或顆粒蛋白（如ferritin）的重組或后修飾，這種方法往往涉及繁冗的蛋白質(zhì)工程化步驟；另一類是啟動(dòng)從頭設(shè)計(jì)策略（de novo protein design），但必需艱深的蛋白界面對(duì)稱設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)。且上述方法多采用構(gòu)象保守的蛋白，難以實(shí)現(xiàn)蛋白籠的動(dòng)態(tài)調(diào)控。
發(fā)展簡(jiǎn)潔通用、精準(zhǔn)構(gòu)建蛋白籠的新策略，在避免復(fù)雜生物工程與計(jì)算建模的前提下實(shí)現(xiàn)蛋白籠動(dòng)態(tài)自適應(yīng)與智能響應(yīng)化組裝將為生物醫(yī)學(xué)與納米仿生領(lǐng)域開(kāi)辟一條全新道路。閆強(qiáng)課題組提出利用蛋白變構(gòu)現(xiàn)象（allosterism）來(lái)操縱蛋白籠動(dòng)態(tài)組裝的新方法學(xué)，該方法依托變構(gòu)蛋白與分子配體結(jié)合時(shí)所引發(fā)的蛋白質(zhì)構(gòu)象精確、大范圍轉(zhuǎn)變（變構(gòu)現(xiàn)象）為推動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)蛋白之間自組裝形成具有多面體幾何的籠狀結(jié)構(gòu)，并通過(guò)變構(gòu)因子對(duì)蛋白構(gòu)象的開(kāi)閉作用調(diào)控蛋白籠的動(dòng)態(tài)組裝與解離。
圖1. (a) 鈣調(diào)蛋白CaM在變構(gòu)因子Ca2+調(diào)節(jié)下的變構(gòu)現(xiàn)象；(b) 變構(gòu)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的蛋白籠精確組裝。
閆強(qiáng)課題組利用一種常見(jiàn)的變構(gòu)蛋白——鈣調(diào)蛋白（calmodulin, CaM）來(lái)實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)籠的動(dòng)態(tài)調(diào)控。天然鈣調(diào)蛋白在變構(gòu)因子Ca2+作用下存在兩種變構(gòu)形式：在Ca2+環(huán)境中，鈣調(diào)蛋白可與吩噻嗪類配體結(jié)合，導(dǎo)致N/C雙端結(jié)構(gòu)域折疊，使蛋白處于收縮態(tài)；而在去除Ca2+后，蛋白構(gòu)象松弛，恢復(fù)解折疊的舒張態(tài)（圖1a）?；谶@一變構(gòu)效應(yīng)，設(shè)計(jì)類膠原寡肽偶聯(lián)的吩噻嗪功能配體PT(POG)n，調(diào)控CaM蛋白-蛋白二聚作用、蛋白-配體識(shí)別作用與類膠原肽三重螺旋化之間的超分子協(xié)同，可實(shí)現(xiàn)蛋白籠的精確裝配（圖1b）。進(jìn)而調(diào)節(jié)Ca2+水平，操縱蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變，可以控制蛋白籠的動(dòng)態(tài)組裝與解組裝，實(shí)現(xiàn)蛋白籠內(nèi)核酸分子的靶向釋放，模擬天然病毒信號(hào)控制的轉(zhuǎn)染過(guò)程。
圖2. 蛋白籠納米尺度與配體長(zhǎng)度關(guān)系
研究發(fā)現(xiàn)蛋白籠的納米尺寸依賴于分子配體長(zhǎng)度（圖2）。隨著寡肽鏈聚合度（n）的增加，蛋白籠的尺寸也相應(yīng)擴(kuò)大，分別達(dá)到19.2 nm (n = 6) ，29.4 nm (n = 10) 和40.5 nm (n = 14)；同一配體形成的蛋白籠具有幾何一致性。這些結(jié)果表明僅通過(guò)定制配體化學(xué)即可精確調(diào)控蛋白籠的組裝結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)策略中對(duì)蛋白本身的界面修飾或工程化，大大提高了人為改造蛋白籠結(jié)構(gòu)與功能復(fù)雜性的可能。冷凍電鏡和三維解析提供了蛋白籠的分子層次結(jié)構(gòu)：蛋白籠具有二十面體對(duì)稱性，外殼由CaM組成，內(nèi)層由剛性配體PT(POG)n支撐（圖3a-c），類似病毒衣殼；蛋白籠表層由正六邊形周期性排列的蛋白六鄰體（hexon）組裝形成，每個(gè)六鄰體單元又由CaM三聚產(chǎn)生（圖3d），相鄰兩個(gè)單元依托CaM變構(gòu)后的蛋白-蛋白相互作用形成具有確定二面角的X形互鎖二聚體（圖3e）；而CaM三聚體則是通過(guò)配體三重螺旋化和配體-蛋白相互作用構(gòu)成的三腳架形蛋白結(jié)構(gòu)（圖3f-g）。這三種超分子力相互協(xié)同導(dǎo)致蛋白籠的精確組裝，其中配體分子的長(zhǎng)度與剛性決定了籠體的幾何尺寸（圖3h）。相應(yīng)調(diào)節(jié)Ca2+濃度控制CaM構(gòu)象狀態(tài)可快速解離或重組蛋白籠結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部DNA功能客體的釋放。
圖3. 蛋白籠的分子層次組裝結(jié)構(gòu)與機(jī)理
綜上所述，該項(xiàng)研究工作提出了一種全新的動(dòng)態(tài)可調(diào)的蛋白質(zhì)納米籠的組裝策略，同時(shí)揭示了利用蛋白變構(gòu)效應(yīng)構(gòu)建動(dòng)態(tài)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的可能性。
以上成果以Communication的形式發(fā)表于CCS Chemistry上。Xu, M.; Zeng R.; Yan Q.* Self-Assembly of Switchable Protein Nanocages via Allosteric Effect. CCS Chem., 2020, 2, 2223–2232. 該論文的第一作者是高分子科學(xué)系博士生許妙苗，通訊作者為高分子科學(xué)系閆強(qiáng)研究員。
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