自然發生的DNA-蛋白質融合分子

來源：作者：人氣：-發表時間：2024-09-19 13:17:00【大中小】

摘要：科學家們現在可以構建堿基-肽的生物融合分子，將DNA的歸巢能力與蛋白質的廣泛功能結合起來。

研究人員在一項新研究中報告說，由于一個偶然的發現，科學家們現在可以構建DNA-多肽的生物融合分子，將DNA的歸巢能力與蛋白質的廣泛功能結合起來，并且不必一個一個地合成它們。利用自然發生的過程，實驗室可以利用細菌現有的分子構建能力來產生大量潛在治療性DNA-蛋白質融合分子庫。

自然界中主要的生物聚合物是寡核苷酸和多肽。然而，自然發生的肽-堿基融合是罕見的。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究團隊報告了一類具有pyrimidone motif的肽-堿基融合天然產物，這些產物來自廣泛分布的核糖體合成和翻譯后修飾(RiPP)生物合成途徑。該途徑具有兩個步驟，即異聚RRE–YcaO–脫氫酶復合物催化前體肽上的天冬酰胺殘基形成六元吡啶酮（pyrimidone）環，酰基酯酶選擇性地識別該片段以切割C末端跟隨肽。機理研究表明，吡啶酮的形成是以底物輔助催化的方式發生的，需要前體中的His殘基激活天冬酰胺進行雜環化。研究擴大了RiPP天然產物的化學型和YcaO酶的催化范圍。這一發現為創造類似于肽-堿基生物融合分子開辟了道路。研究結果發表在《Nature Chemical Biology》雜志上。

圖1 核糖體肽中肽-核堿基雜合物的生物合成

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校生物化學教授Satish Nair說:“生物學中最常見的兩種構建模塊是核酸(用于制造RNA和DNA)和氨基酸(構成蛋白質)。”Satish Nair與博士后研究員Zeng-Fei Pei共同領導了這項研究。“我們有這兩組生物分子，它們的作用非常不同，幾十年來，化學家們一直試圖將它們融合到同一個分子中。如果你能制造出一種復雜的蛋白質，然后把核酸放在上面，讓它準確地到達你想要的地方，因為它會與DNA或RNA的特定區域結合，你就能制造出一種精準藥物。”這些藥物可以用來中斷細胞中各種促進疾病的過程，例如阻斷突變基因的轉錄，或者結合致病性非編碼RNA分子來阻止它們的活性。

最初的發現純屬偶然。Satish Nair和他的同事們一直在尋找與金屬結合的蛋白質，當他們注意到英國諾維奇的John Innes中心的一個團隊報告了一種細菌產生的有趣分子，這種分子似乎是DNA-蛋白質的融合子。伊利諾伊大學的研究小組聯系了John Innes中心的科學家，建議他們重新檢查這種分子，以確定它是否真的像表面上看起來的那樣。一旦最初的發現得到證實，美國和英國科學家合作進行了更深入的分析，以發現形成這種融合分子形成機制。

Satish Nair說，找到一種天然存在的DNA-蛋白質融合體，并確定如何誘導細菌制造這種融合體，將使目前緩慢、勞動密集型的過程變得更加簡單。“世界上許多高水平的實驗室一直在使用各種合成化學方法來制造生物融合分子，這很好:它們都是概念驗證，而且是有效的。”“問題是你不能大規模地這么做。你不能制造1億種化合物，因為那需要你進行1億次化學合成。”

圖2 機理研究表明，嘧啶酮的形成是以底物輔助催化的方式發生的，需要前體中的His殘基激活天冬酰胺進行雜環化

在一系列的實驗中，Satish Nair和他的同事發現，兩種細菌酶一起將某些肽轉化為DNA-蛋白質融合體。第一種酶YcaO修飾肽中的氨基酸，將肽轉化為類似堿基的環狀結構，使DNA和RNA能夠與其他DNA或RNA分子配對。第二種酶是一種蛋白酶，它切斷新修飾分子的一部分，將其轉化為功能齊全的堿基-蛋白質雜合子。該團隊僅通過添加三種成分就能在試管中進行轉化:原始肽和兩種酶。但他們也證明了這個過程可以由大腸桿菌來完成。

Nair說，了解這一過程將使實驗室能夠創造出能夠附著在基因組的任何區域或細胞中的任何RNA分子上的融合分子。利用細菌來簡化管道將加快發現的進程。“現在，我們要開始比賽了，”他說。

參考資料

[1] Biosynthesis of peptide–nucleobase hybrids in ribosomal peptides