J. Am. Chem. Soc. | 混合手性的多肽大环能稳定α螺旋二级结构

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分享一篇发表在JACS上的文章,题目为Mixed Stereochemistry Macrocycle Acts as a Helix-Stabilizing Peptide N‑Cap。本文通讯作者为丹麦哥本哈根大学的Joseph Matthew Rogers副教授。Rogers课题组主要从事环肽抑制剂的开发。


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蛋白-蛋白相互作用对于细胞生理活动至关重要。其中,蛋白的固有无序区域在与结构明确的蛋白发生互作时,能够折叠形成明确的二级结构,例如α螺旋。上述互作模式在病理过程中发挥着重要作用,因此,结合α螺旋的蛋白成为了潜在的药物靶点。
多肽类药物被认为能够有效调控蛋白-蛋白相互作用。线性肽段能够很好地模拟天然的固有无序序列,但在游离状态下肽段保持无序结构,仅在与靶点结合时表现为确定的二级结构。上述特征带来“熵惩罚”效应,降低了多肽类药物的亲和力。目前,大环化策略是降低“熵惩罚”的主流方法。
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此前,Suga课题组发展了RaPID系统 (random nonstandard peptides integrated discovery)并将其广泛用于大环肽文库的构建与筛选。使用RaPID系统筛选得到的环肽主要为β折叠或卷曲结构,仅有少量环肽中含有1-2圈α螺旋。因此RaPID系统在发展α螺旋结构环肽抑制剂的潜力尚未得到深入探索。
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在本文中,作者选择了Mcl-1 (myeloid cell leukemia-1)作为靶蛋白。Mcl-1蛋白能够与无序的BH3结构域结合,并使其折叠为一个连续的α螺旋结构。此外,Mcl-1蛋白在凋亡过程中发挥重要的调节作用,因此是肿瘤治疗中重要的蛋白靶点
在本文所构建的RaPID文库中,第一个氨基酸为N-氯乙酰基-D-苯丙氨酸,随后是6-15个随机的氨基酸序列,最终是用于完成大环化的Cys残基。在7轮富集-扩增之后,作者发现富集得到的环肽序列具有以下三个特征:1)环肽序列偏好13个氨基酸的长度;2)第4位具有保守的Cys残基;3)环肽序列与天然BH3结构域有高度的同源性。作者将筛选得到的此类环肽称为套索肽(lariat peptides)。
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作者合成了RaPID结果中排名前2的两条环肽Heliat-1/2,同时合成了对应的线性肽段Linear-1/2以及Bid蛋白BH3结构域中的截短肽Bid14/26。结合SPR与荧光偏振实验,Heliat-1/2对Mcl-1蛋白的KD ~100 nM,比Linear-1/2低10-100倍,与Bid26大致相同。
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对Heliat-1/2进行突变体扫描,除了已被证明保守的BH3同源残基,其他位置,尤其是2、3位氨基酸并未表现出明显的偏好性。圆二色谱测量结果表明,未结合Mcl-1的Heliat-1/2分子比Linear-1/2表现出更明显的α螺旋结构。
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作者从Heliat-1/2中提取出最小套索特征,即1位是D-苯丙氨酸、4位是L-Cys,两者由乙酰基共价连接。将上述特征应用于Bid14上,改造后肽段具有更强的α螺旋倾向,并且表现出针对Mcl-1更高的亲和力。此外,最小套索特征也能使非BH3同源序列的肽段表现出显著提高的α螺旋倾向。
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研究人员后续使用NMR、分子动力学等一系列工具,进一步揭示了1位氨基酸中D构型与芳香侧链对α螺旋构象均有明显贡献。在套索肽中,大环表现出稳定的α螺旋结构,同时通过i和i+4残基之间的氢键相互作用,促进线性肽段也采取α螺旋结构。
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综上所述,本文基于RaPID系统,针对Mcl-1蛋白进行环肽抑制剂筛选,发现了一种促进α螺旋二级结构的最小套索特征。
责任编辑:LYC
本文作者:TZS
原文链接:https://doi.org/10.1021/jacs.4c05378
文章引用:DOI:10.1021/jacs.4c05378




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