Angew|可被L-糖苷酶裂解的天然糖基能够帮助含有二硫键的D型蛋白正确折叠

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推荐一篇发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上的文章,文章的标题是“L-Glycosidase-Cleavable Natural Glycans Facilitate the Chemical Synthesis of Correctly Folded Disulfide-Bonded D-Proteins”。通讯作者是中国科学技术大学生命科学与医学部的郑基深教授,主要致力于蛋白质功能进化以及镜像蛋白等合成生物大分子的研究。

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生物体中的天然蛋白和天然氨基酸都是L型的,而天然的蛋白酶也只特异性地识别L型蛋白质,镜像的D型蛋白在生物体中不易被酶水解,具有独特的稳定性,因此天然蛋白的镜像多肽配体可以作为一种对水解酶稳定的潜在药物前体。这种镜像多肽配体的合成主要依赖于基于化学合成天然蛋白的镜像D型蛋白的镜像筛选技术。在这一技术广泛应用的过程中,人们发现D型蛋白的二硫键难以正确连接,这使含有二硫键的D型蛋白的合成较为困难。

高等真核生物经常通过在新合成的多肽上添加糖基来稳定蛋白折叠的中间体进而促进蛋白质的正确折叠。受到该现象的启发,作者在前期工作中证明在含有二硫键的天然L型蛋白的丝氨酸或者苏氨酸位点引入O连接的β-N-乙酰-D-葡萄糖胺(O-GlcNAc)可以帮助蛋白质在体外折叠,并且人工引入的D-糖基随后可以被糖苷酶(L-OGA)水解,最终得到正确折叠的含有二硫键的天然L型氨基酸。于是,本文中作者将该方法用于D型蛋白的化学合成,在D型蛋白质上引入D型糖基(O-GlcNAc),随后使用L型糖苷酶(L-OGA)将糖基水解,这种可逆的糖基化修饰能够有效地辅助含有二硫键的D型蛋白的合成并帮助其正确折叠,成功解决了该类D型蛋白难以化学合成的问题。

为了验证糖基化是否能够帮助D型蛋白折叠,作者首先尝试使用该方法合成D-铁调素,该蛋白结构中包含四个二硫键,一度被认为难以在体外合成。作者使用固相合成法合成得到未糖基化修饰的D-铁调素,发现其难以通过传统方法正确折叠。接着作者通过固相合成将Fmoc-D-Ser (β-D-GlcNAc-(Ac)3)-OH构建单元引入到蛋白结构中,得到了未折叠的糖基化D-铁调素多肽链1,再将多肽链1溶解在折叠缓冲液中进行折叠,HPLC表征结果表明多肽链1在一小时内完全折叠转化为糖基化D-铁调素2,回收产率为50%。质谱检测得到2的相对分子分子质量为2991.38Da(理论相对分子质量为2991.36Da),相较于1减少了7.88Da,表明2中形成了四对二硫键。随后,作者使用L-OGA处理2以移除O-GlcNAc修饰基团。HPLC结果表明L-OGA处理2小时后有接近一半的2被转化成D-铁调素3,处理12小时后2被完全转化。ESI-MS分析表明3的分子量相较于2减少了203.58Da,与被移除的O-GlcNAc相对应。之后,作者又研究了L-OGA水解D-铁调素和L-铁调素的动力学差异,得到L-OGA水解D-铁调素和L-铁调素时Kcat/KM分别为8.88 s-1M-119.37 s-1M-1。表明L-OGA更偏好L-铁调素,但是这种差异并不影响L-OGA移除糖基化D-铁调素上的O-GlcNAc。作者测量了3的圆二色谱,其特征椭圆度在200nm并且具有轴对称特性,与正确折叠的L-铁调素相同,证明了得到的D-铁调素3具有正确的三维结构。因此,上述实验表明天然D构型的O-GlcNAc能够帮助D-铁调素正确折叠,并且能够被天然的L-OGA移除,同时该实验也证明了L-OGAO-GlcNAc修饰的蛋白底物的构型不敏感。

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图1.D-铁调素的合成与L-OGA水解的动力学差异


接着,作者将该方法用于合成镜像肿瘤坏死因子D-TNFα。D-TNFα是一种同源三聚体,可以用于筛选TNFα具有炎症治疗潜力的D型多肽配体,但是D-TNFα在体外的折叠效率低于10%。作者使用三段连接的方式合成带有两个O-GlcNAc修饰基团的全长D-TNFα。在选择O-GlcNAc修饰位点时,作者选择了远离二硫键以及TNFα单体相互作用表面的非结构环,该修饰位点不会干扰D-TNFα单体和同源三聚体的折叠。首先作者使用固相合成法合成了三段多肽链4,5,6,接着用自然化学连接法将三段肽链依次相连,最终得到了糖基化的全长D-TNFα(9)。整个合成过程中以肽段6为标准计算的总收率为4.3%,相较于用非糖基化可溶性标签标记的肽段6'合成得到9',糖基化修饰使总收率提高了三倍。由于可溶性标签标记后,肽链的溶解度仍较差,因此糖基化可能是通过提高肽段的水溶性来提高合成和连接效率的。9经过氧化生成二硫键以及三聚过程后得到了糖基化的D-TNFα三聚体10,SEC回收10的收率为40%,而作为对照的9'在同样方法处理后观察到明显的沉淀,并没有三聚体生成。之后,作者使用L-OGA去除了10上的O-GlcNAc修饰,并使用尺寸排阻色谱(SEC)、质谱(LC-Q-TOF-MS)、圆二色谱(CD)以及TNFα与特异性肽段作用的表面等离子体共振(SPR)分析共同证明了具有正确二级结构的D-TNFα三聚体11的成功合成。该实验证明了O-GlcNAc修饰明显改善了TNFα折叠以及三聚过程。

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图2.D-TNFα的合成示意图与MS表征


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图3. O-GlcNAc修饰帮助TNFα正确折叠


最后,作者使用该方法合成了SARS-CoV-2奥密克戎刺突蛋白的镜像受体结合结构域D-RBD。作者在之前尝试使用传统方法合成拥有197个氨基酸以及四个二硫键的D-RBD,最终D-RBD的折叠效率不到0.1%。本文中,作者将全长的D-RBD分为四个肽段13,14,15,16,并引入了两个O-GlcNAc修饰基团。四个肽段分别用固相合成法合成后再用NCL连接得到全长的未折叠的糖基化D-RBD20,以肽段13为标准,计算得到的总收率为7%,而未糖基化的D-RBD20'总收率只有1.3%。20在折叠缓冲液中折叠得到折叠产物21,并使用LC-Q-TOF-MS分析证明了二硫键的形成,折叠过程总收率为50%。而未糖基化修饰的20'在折叠过程中观察到大量沉淀,并且SEC分析没有检测到折叠产物,表明未糖基化的D-BRD不能正确折叠。之后,作者使用L-OGA去除了修饰的O-GlcNAc得到正确折叠的D-BRD22,SEC、LC-Q-TOF-MS、CD以及22与特异性肽段结合的SPR分析表明合成得到的22具有正确的三维结构。

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图4.D-RBD的合成示意图与MS表征


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图5. O-GlcNAc修饰帮助D-RBD正确折叠


总之,本文证明了通过糖基化的构建单元以及L-OGA在D型蛋白上可逆地引入天然O-GlcNAc修饰基团可以帮助含有二硫键的D型蛋白正确折叠,相较于使用镜像的O-GlcNAc以及镜像的D-OGA,本文为人工合成D型蛋白的正确折叠提供了更廉价易得的方法,同时,本文也对镜像蛋白相互作用的研究具有一定的启发。O-GlcNAc引入带来的折叠效率的增加可能是由于糖庞大的水化壳增加了亲脂性多肽在水中的溶解度,让多肽有更多的时间进行折叠。


本文作者:LHC

原文引用

http://doi.org/10.1002/anie.202313640

责任编辑:LD

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