Angew. 西湖大学王怀民研究团队引入化学分子刹车片，精确控制多肽在活细胞内聚合

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Angew. 西湖大学王怀民研究团队引入化学分子刹车片，精确控制多肽在活细胞内聚合

来源：西湖大学 2021-11-17

导读：西湖大学王怀民研究团队使用设计的多肽分子，通过控制多肽分子组装的形式，实现了功能多肽分子在细胞内的可控聚合。该工作首次提出通过分子刹车片控制化学分子在体内的可控精准组装，整合了酸催化水解和酶诱导自组装，实现了在活细胞中特定细胞器发生分子自组装。相关研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上。

细胞是组成人体的基本活性单元，细胞通过合成多种物质（如蛋白质、核酸、脂质分子等）来维持人体的稳态。人体能一直保持健康状态，是因为细胞合成这些物质是精确可控并且能随着疾病环境来进行相应的调控，当这种调控处于失衡状态，人类就会被各种各样疾病困扰。各学科科学家在对疾病产生机理和治疗探索方面都做出了很大的贡献。随着对细胞精确控制物质合成的理解越来越深入，人为设计和合成化学分子并控制其在细胞里原位合成功能物质就显得越来越重要，这是因为人为调控化学分子在细胞里的行为对了解疾病产生和治疗、甚至是生命起源都有很大借鉴意义。然而要在复杂的活细胞里人为精确控制化学分子的合成聚合具有非常大的挑战：一方面，化学分子进入细胞时，如何避免与细胞内多种组分相互作用？另一方面，化学分子如何才能进入到细胞某个特定部位并形成功能物质？近日王怀民团队在这方面取得了系列进展。

西湖大学王怀民研究团队使用设计的多肽分子，通过控制多肽分子组装的形式，实现了功能多肽分子在细胞内的可控聚合。他们使用的一种策略为诱导自组装。简单来讲，自组装类似垒积木或者组装变形金刚的过程：把一块块积木（基本单元）按照一定的方式组合起来，变成有功能的（如房子结构）结构，发挥人们想要的作用（比如住房）。然而，垒积木是有图纸可循，即按照加工好的模块一块块拼接，诱导组装要比这难很多。首先要根据想象的功能结构，人为设计合成化学分子，化学分子继而通过特定条件诱导和识别，才能最终组装成特定的功能结构。

如下图所示，该研究团队通过化学方法，在分子水平上对多肽分子进行翻译后修饰的调控，给酶特异性底物分子装上分子刹车片，利用细胞溶酶体内特有的酸性环境调控分子刹车片，构建了一种全新的多肽多层级组装策略，在活细胞中实现分子水平控制多肽功能结构的原位形成，进而为实现人工精准合成细胞内新物质提供了一种新策略（图1）。

图1. A) 多肽分子的化学结构式；含有刹车片的多肽分子在B) 体外和C) 细胞内发生酸解和酶促组装示意图。

首先，作者在荧光多肽分子上引入双（二甲基氨基）磷酸，在双（二甲基氨基）的保护下，多肽分子不会发生酶解。只有在酸性条件下，P-N键会发生断裂，暴露出酶促反应底物。进一步，在酸性磷酸酶（ACP）的作用下，多肽分子会进一步发生酶解，形成自组装多肽。冷冻电镜（Bio-TEM）图片证明，酸催化水解及酶促组装的进行可以促进纳米纤维的形成。

将双（二甲基氨基）保护和磷酸基团修饰的多肽分子与人成骨肉瘤细胞（Saos-2）和前列腺癌细胞（PC-3）共孵育，激光共聚焦显微镜（CLSM）观察发现，不带刹车片的磷酸修饰的多肽分子会在细胞膜表面发生聚集，产生绿色荧光（图2）；而带有刹车片的双（二甲基氨基）保护的分子则会通过巨胞饮作用进入细胞，在溶酶体中产生绿色荧光。对细胞裂解液进行分析，带有刹车片的多肽分子确实在溶酶体中发生了酸解和酶解。

图2. A) 不含有和B, C) 含有刹车片的多肽分子与Saos-2细胞共孵育4 h的CLSM图片；D) 水解和酶解产物含量随孵育时间变化图；E) 含有刹车片的多肽分子与Saos-2细胞共孵育不同时间的荧光强度图。

该工作首次提出通过分子刹车片控制化学分子在体内的可控精准组装，整合了酸催化水解和酶诱导自组装，实现了在活细胞中特定细胞器发生分子自组装。基于该工作，该研究团队指出控制多肽分子在细胞内发生组装需要满足下面几个条件：

1）设计的多肽分子衍生物需要具备抗酶解特性，保证其在细胞质或细胞膜上不被酶解；

2）多肽分子衍生物在细胞内需要发生化学反应，暴露出组装序列；

3）组装序列可以在特定部位中富集，形成有序结构。

该研究的发现为活细胞内精准合成功能性的多肽材料和药物提供了一种新策略，也为多肽材料用于蛋白和核酸的可控递送提供了新的方法。例如，以前是在外面合成药物，药物化学合成候选物之后，首先在细胞和动物水平上筛选，然后再在人体去筛选。像平时吃的感冒药，都是外面合成的药物。该研究团队的成果为直接在体内原位合成药物提供了一种可行的策略：本来药物都是小的片段分子，那么细胞把这些片段分子都吞进去之后，它自己去组装起来，比如说让癌细胞去吞，癌细胞吞完之后，它自己在体内原位合成药物，那它就只对癌细胞有毒，对正常细胞没有毒，这等于合成组装一种可编程系统（图3）。