5月27日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、前沿交叉學(xué)科研究院生命科學(xué)聯(lián)合中心陳鵬教授課題組和王初教授課題組的合作成果以“Machine-learning-assisted universal protein activation in living mice”為題在《細(xì)胞》(Cell)雜志在線發(fā)表。

　　兩個(gè)課題組通過(guò)持續(xù)的深入合作，開發(fā)了融合“機(jī)器學(xué)習(xí)與生物正交剪切反應(yīng)”的蛋白質(zhì)活體激活技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“鄰近脫籠”策略從活細(xì)胞向活體動(dòng)物的突破。

　　該工作通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)與生物正交剪切反應(yīng)融合驅(qū)動(dòng)，獲得了一種創(chuàng)新的蛋白質(zhì)原位激活平臺(tái)技術(shù)CAGE-Proxvivo，能夠在活體動(dòng)物中瞬時(shí)激活目標(biāo)蛋白質(zhì)的功能，并精確調(diào)節(jié)蛋白-蛋白相互作用。此外，CAGE-Proxvivo還可以調(diào)節(jié)細(xì)胞表型，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生焦亡，增強(qiáng)抗腫瘤免疫響應(yīng)。

　　CAGE-Proxvivo技術(shù)使得生物正交剪切反應(yīng)邁入了“任意蛋白+活體應(yīng)用”的新時(shí)代，相當(dāng)于找到了一把“萬(wàn)能鑰匙”，可以隨心所欲地調(diào)控蛋白質(zhì)的活性。這標(biāo)志著活體化學(xué)反應(yīng)發(fā)展的重要突破，不僅為動(dòng)態(tài)生物學(xué)過(guò)程的原位研究提供了強(qiáng)大工具，也為按需式精準(zhǔn)治療開辟了新的途徑。

論文截圖

什么是生物正交反應(yīng)?

　　生物正交反應(yīng)是指可以在生物體系中進(jìn)行且不與內(nèi)源生命過(guò)程相互干擾的化學(xué)反應(yīng)。這類反應(yīng)的發(fā)展，不僅拓展了傳統(tǒng)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的生物學(xué)應(yīng)用邊界，也將合成化學(xué)的邏輯引入生命系統(tǒng)研究，革新了生命過(guò)程的分子解析與精準(zhǔn)調(diào)控方式，為揭示復(fù)雜生理、病理機(jī)制提供了全新視角。

　　以“點(diǎn)擊化學(xué)”為代表的生物正交反應(yīng)因?yàn)橛行Ы鉀Q了復(fù)雜生命體系中特定生物分子的原位標(biāo)記與示蹤等關(guān)鍵科學(xué)難題，獲得了2022年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，但這一以“偶聯(lián)”為核心的化學(xué)反應(yīng)模式仍存在局限，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物大分子功能的調(diào)控和解析。

　　陳鵬課題組長(zhǎng)期致力于“活細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)”的開發(fā)與應(yīng)用，在國(guó)際上率先提出并發(fā)展了基于“斷鍵”化學(xué)的生物正交反應(yīng)——生物正交剪切反應(yīng)(Bioorthogonal Cleavage Reaction, Nat. Chem. 2014, 6, 352.)。與傳統(tǒng)的“連接”反應(yīng)不同，這種剪切反應(yīng)通過(guò)化學(xué)鍵的斷裂，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶標(biāo)分子中掩蔽基團(tuán)的時(shí)空可控釋放。

　　該策略突破了利用化學(xué)反應(yīng)調(diào)控生物大分子功能的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)在活細(xì)胞等環(huán)境中的精準(zhǔn)“脫籠”和激活，使得生命過(guò)程和分子互作在特定的時(shí)間和空間內(nèi)被精確開啟，為活細(xì)胞的功能研究開辟了新的途徑。

化學(xué)(光)脫籠生物正交剪切反應(yīng)的發(fā)展歷程

什么是“脫籠”?

　　“化學(xué)脫籠”策略是一類適用性廣、干擾度低的蛋白質(zhì)激活方法，通過(guò)對(duì)酶的關(guān)鍵催化殘基的保護(hù)和脫保護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其活性的“關(guān)-開”調(diào)控。陳鵬課題組先后在賴氨酸、酪氨酸等活性氨基酸側(cè)鏈上實(shí)現(xiàn)了生物正交斷鍵反應(yīng)和脫籠，在活細(xì)胞及活體動(dòng)物內(nèi)實(shí)現(xiàn)了蛋白激酶等多種蛋白質(zhì)的特異激活。

　　然而，受限于可以進(jìn)行脫籠反應(yīng)的非天然氨基酸類型，上述基于催化殘基的“直接脫籠“策略只能在某些特定蛋白家族中應(yīng)用。如何進(jìn)一步發(fā)展廣泛適用于不同類型蛋白家族的原位激活方法，在活體環(huán)境內(nèi)研究蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)功能變化，是眾多化學(xué)生物學(xué)研究者力圖實(shí)現(xiàn)的重要目標(biāo)。

　　2019年，陳鵬課題組與王初課題組合作，利用紫外光控的生物正交剪切反應(yīng)為活細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)安裝了功能開關(guān)。這一被稱為蛋白質(zhì)“鄰近脫籠”(CAGE-Prox)的策略具有很強(qiáng)的普適性，實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞內(nèi)各種酶家族蛋白質(zhì)的瞬時(shí)激活(Nature. 2019, 569, 5095)。

最新的“脫籠”策略有哪些改進(jìn)?

　　在《細(xì)胞》發(fā)表的工作中，作者結(jié)合逆電子需求Diels-Alder反應(yīng)(IEDDA)，將其應(yīng)用于反式環(huán)辛烯-酪氨酸(TCOY)的保護(hù)和脫保護(hù)，并通過(guò)蛋白語(yǔ)言模型訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，捕捉序列特征與蛋白質(zhì)功能之間的相關(guān)性，輔以Rosetta軟件對(duì)接模擬酶和底物的相互作用，從而提高了tRNA合成酶(PylRS)變體選擇的成功率，最終實(shí)現(xiàn)了TCOY的識(shí)別和編碼表達(dá)。

　　這一“化學(xué)開關(guān)”的引入，能夠暫時(shí)關(guān)閉目標(biāo)蛋白質(zhì)的功能，并可通過(guò)小分子誘導(dǎo)的生物正交剪切反應(yīng)在體內(nèi)原位恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)可控激活，獲得了適用于活體動(dòng)物的通用蛋白質(zhì)激活策略(CAGE-Proxvivo)。

機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的蛋白質(zhì)活體激活策略：通過(guò)蛋白語(yǔ)言模型訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，設(shè)計(jì)和篩選tRNA合成酶(PylRS)變體，實(shí)現(xiàn)了可化學(xué)脫籠的反式環(huán)辛烯-酪氨酸(TCOY)的識(shí)別和編碼表達(dá)，用于后續(xù)在體蛋白質(zhì)功能激活和互作調(diào)控

新的“脫籠”策略能做啥?

　　在建立CAGE-Proxvivo標(biāo)準(zhǔn)流程后，作者將其應(yīng)用于蛋白質(zhì)靶向遞送與激活治療。作者巧妙地設(shè)計(jì)了靶向遞送與化學(xué)激活的雙重控制，構(gòu)建了“蛋白質(zhì)前藥”系統(tǒng)，利用靶向遞送，實(shí)現(xiàn)了炭疽致死因子(Lethal factor)的可控、原位激活，有效抑制了實(shí)體腫瘤的生長(zhǎng)。

　　在此基礎(chǔ)上，作者通過(guò)CAGE-Proxvivo策略成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞焦亡(pyroptosis)在腫瘤內(nèi)部的可控-特異誘導(dǎo)。細(xì)胞焦亡作為一種由Caspase介導(dǎo)的炎癥性細(xì)胞死亡方式，因其激活免疫應(yīng)答的潛力而備受關(guān)注。盡管傳統(tǒng)化療藥物能誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，但鑒于GSDME在許多腫瘤細(xì)胞中的低表達(dá)，腫瘤特異性誘導(dǎo)焦亡仍面臨重要挑戰(zhàn)。CAGE-Proxvivo技術(shù)則在小鼠肺癌細(xì)胞中引發(fā)了Caspase-3依賴性GSDME切割，誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡，觸發(fā)免疫殺傷，有效抑制了繼發(fā)腫瘤的生長(zhǎng)。作者進(jìn)一步擴(kuò)大了該策略的應(yīng)用范圍，在多種腫瘤細(xì)胞中展示了細(xì)胞焦亡介導(dǎo)的免疫治療潛力。

　　此外，作者通過(guò)改進(jìn)計(jì)算建模流程，將“化學(xué)開關(guān)”從酶活口袋拓展至蛋白質(zhì)到互作界面，實(shí)現(xiàn)了蛋白–蛋白相互作用的精確調(diào)控，并開發(fā)了生物正交“門控”雙特異性抗體，用于腫瘤免疫治療。在該應(yīng)用中，作者通過(guò)遺傳編碼將TCOY引入抗CD3抗體(aCD3)，并將其與腫瘤靶向模塊結(jié)合，構(gòu)建了具有條件性激活能力的“開關(guān)”型T細(xì)胞接合器(T cell engager, TCE)。隨后通過(guò)活體生物正交剪切技術(shù)恢復(fù)T細(xì)胞活性，精確激活腫瘤部位的T細(xì)胞，有效避免了系統(tǒng)性細(xì)胞因子釋放綜合征(CRS)及其引發(fā)的毒性反應(yīng)，提高了治療安全性，為在實(shí)體瘤的免疫治療中，將免疫原性低的“冷”腫瘤轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙庖咴缘摹盁帷蹦[瘤提供了新的途徑。

CAGE-Proxvivo蛋白質(zhì)活體原位激活通用平臺(tái)應(yīng)用：在活體動(dòng)物中按需激活蛋白質(zhì)功能;調(diào)節(jié)細(xì)胞表型，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生焦亡，增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng);精確調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，實(shí)現(xiàn)生物正交“門控”雙特異性抗體，用于按需招募和激活T細(xì)胞

　　除TCOY外，作者基于統(tǒng)一的機(jī)器學(xué)習(xí)模型成功進(jìn)化出可識(shí)別反式環(huán)辛烯-半胱氨酸(TCOC)的PylRS變體，并通過(guò)CAGE-Proxvivo策略實(shí)現(xiàn)了半胱氨酸的可控化學(xué)遮蔽以及活體內(nèi)蛋白功能的精準(zhǔn)調(diào)控。該研究進(jìn)一步展示了結(jié)合蛋白質(zhì)語(yǔ)言模型與結(jié)構(gòu)建模特征的混合策略在底物譜拓展中的有效性和普適性，有望實(shí)現(xiàn)更多天然氨基酸的遮蔽-脫籠，為活體內(nèi)生物大分子功能和生命過(guò)程的精準(zhǔn)操控建立通用平臺(tái)。

機(jī)器學(xué)習(xí)模型成功進(jìn)化出可識(shí)別反式環(huán)辛烯-半胱氨酸(TCOC)的PylRS變體，并通過(guò)CAGE-Proxvivo策略實(shí)現(xiàn)了半胱氨酸的可控化學(xué)遮蔽以及活體內(nèi)蛋白功能的精準(zhǔn)調(diào)控

　　陳鵬、王初為本文的共同通訊作者。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院已畢業(yè)博士研究生汪欣(現(xiàn)深圳灣實(shí)驗(yàn)室博士后)、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院副研究員劉源為本文的共同第一作者。

　　本工作獲得科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心、新基石基金會(huì)和北京大學(xué)AI4S等項(xiàng)目的支持。