中美合作研发帮助开发新抗生素的蛋白质研究

研究人员创造了一种重要的细菌酶的水溶性版本，现在可以用于药物筛选，以识别新的抗生素。

　　

一种被称为组氨酸激酶的细菌酶是新型抗生素的一个有希望的目标。然而，开发针对这种酶的药物一直很困难，因为它是一种“疏水”蛋白质，一旦从细胞膜的正常位置移除，就会失去其结构。

现在，一个由麻省理工学院和上海交通大学联合领导的团队已经找到了一种使这种酶可溶于水的方法，这可能使快速筛选可能干扰其功能的潜在药物成为可能。

研究人员通过用三个亲水氨基酸取代四个特定的疏水氨基酸，创造了他们的新版本的组氨酸激酶。即使在这一重大转变之后，他们发现这种酶的水溶性版本仍保留了其自然功能。

目前还没有针对组氨酸激酶的抗生素，因此破坏组氨酸激酶功能的药物可能代表了一类新的抗生素。这些候选药物是对抗日益严重的抗生素耐药性问题的迫切需要。

“每年有超过100万人死于抗生素耐药性感染，”麻省理工学院媒体实验室首席研究科学家、这项新研究的资深作者之一Shuguang Zhang说。“这种蛋白质是一个很好的目标，因为它是细菌所特有的，而人类没有。”

上海交通大学教授Ping Xu and Fei Tao也是这篇发表在《Nature Communications》上的论文的资深作者。上海交通大学研究生、麻省理工学院前访问学生Mengke Li是该论文的第一作者。

一个新的药物靶点

许多执行关键细胞功能的蛋白质都嵌入细胞膜中。这些跨越膜的蛋白质片段是疏水性的，这使得它们能够与构成膜的脂质结合。然而，一旦从膜上移除，这些蛋白质往往会失去它们的结构，这使得研究它们或筛选可能干扰它们的药物变得困难。

2018年，Zhang和他的同事们设计了一种简单的方法，将这些蛋白质转化为水溶性蛋白质，使其在水中保持结构。他们的技术被称为QTY代码，这些字母代表了与蛋白质结合的亲水性氨基酸。亮氨酸(L)变成谷氨酰胺(Q)，异亮氨酸(I)和缬氨酸(V)变成苏氨酸(T)，苯丙氨酸(F)变成酪氨酸(Y)。

从那时起，研究人员已经在各种疏水蛋白上证明了这种技术，包括抗体、细胞因子受体和转运蛋白。这些转运蛋白包括癌细胞用来将化疗药物泵出细胞的蛋白质，以及脑细胞用来将多巴胺和血清素运进或运出细胞的转运蛋白。

在这项新研究中，研究小组首次证明，QTY编码可以用来制造保留其酶功能的水溶性酶。

研究小组选择将重点放在组氨酸激酶上，部分原因是它作为抗生素靶点的潜力。目前，大多数抗生素通过破坏细菌细胞壁或干扰核糖体(制造蛋白质的细胞器)的合成来起作用。它们都不是针对组氨酸激酶的，组氨酸激酶是一种重要的细菌蛋白，调节诸如抗生素耐药性和细胞间通讯等过程。

组氨酸激酶可以执行四种不同的功能，包括磷酸化(通过添加磷酸基团激活其他蛋白质)和去磷酸化(去除磷酸盐)。人体细胞也有激酶，但它们作用于组氨酸以外的氨基酸，因此阻断组氨酸激酶的药物可能对人体细胞没有任何影响。

在使用QTY代码将组氨酸激酶转化为水溶性形式后，研究人员测试了它的所有四种功能，发现蛋白质仍然能够执行它们。这意味着这种蛋白质可以用于高通量筛选，以快速测试潜在的药物化合物是否会干扰这些功能。

稳定的结构

利用人工智能程序AlphaFold预测蛋白质结构，研究人员为他们的新蛋白质生成了一个结构，并使用分子动力学模拟来研究它是如何与水相互作用的。他们发现这种蛋白质与水形成稳定的氢键，这有助于保持其结构。

他们还发现，如果他们只替换跨膜段中埋藏的疏水氨基酸，蛋白质将无法保持其功能。疏水氨基酸必须在整个跨膜段被替换，这有助于分子维持正常功能所需的结构关系。

Zhang现在计划在甲烷单加氧酶上尝试这种方法，这是一种在细菌中发现的可以将甲烷转化为甲醇的酶。这种酶的水溶性版本可以喷洒在甲烷释放的地方，比如奶牛居住的谷仓，或者融化的永久冻土，帮助从大气中去除一大块甲烷，一种温室气体。

“如果我们可以使用同样的工具，QTY代码，甲烷单加氧酶，并使用该酶将甲烷转化为甲醇，这可能会减缓气候变化，”Zhang说。

没有参与这项研究的加州大学旧金山分校(University of California at San Francisco)药物化学教授William DeGrado说，QTY技术还可以帮助科学家更多地了解信号是如何被跨膜蛋白携带的。

“能够制造功能相关的水溶性蛋白质是一个巨大的进步，”DeGrado说。“一个重要的问题是信号是如何跨膜传输的，而这项工作为解决这个问题提供了一种新的方法。”