ACS Chem. Biol. | 病毒蛋白酶及其相关多肽、药物介导的蛋白活性调控体系

英文原题：Controlled Protein Activities with Viral Proteases, Antiviral Peptides, and Antiviral Drugs

供稿人：张妍 北京大学

大家好，今天为大家介绍一篇ACS Chem. Biol.的文章“Controlled Protein Activities with Viral Proteases, Antiviral Peptides, and Antiviral Drugs”，文章来自波士顿大学的John T. Ngo课题组。在这篇文章中，作者们利用丙型肝炎顺式蛋白酶NS3及其相关抗病毒多肽和药物灵活调控特定蛋白质活性（图1），进而实现特定基因调控、蛋白片段重组和多体系中基因重组等目的。

利用化学工具灵活调控蛋白质的活性是探究生物学问题的有效方式。然而，高效的化学诱导工具往往必须实现良好的生物正交性，在保证灵活调控细胞内蛋白质活性的同时尽可能避免与细胞其他内源性过程的干扰，此外，它们也需要拥有理想的药物递送的特性以利于细胞内应用，这对相关工具的开发提出了较高的要求。丙型肝炎顺式蛋白酶NS3具有蛋白水解功能，其水解活性可以被药物调节，它及其相关的抗病毒药物此前已经被研究者们用于调节蛋白质定位和细胞信号通路。NS3对其相关的抗病毒多肽存在较强的亲和力，而这种结合可以被一些小分子药物所取代，因此研究者们希望基于它们开发一套较为理想的生物正交蛋白调控系统。

图1. 基于丙型肝炎顺式蛋白酶NS3、抗病毒多肽及药物的蛋白质活性调控策略示意图

在这篇文章中，作者们首先将该调控体系与异源二聚的转录因子蛋白相结合，用于特定基因转录调控。他们首先将此前报道的高亲和力抗病毒多肽CP5-46A-4D5E（简称为PMED）与Gal4 DNA结合域相融合，并将没有蛋白酶活性的NS3与转录效应域VPR或KRAB结合（图2a），进行相应基因的转录调控。结果显示，NS3体系可以通过其高亲和力有效的将转录因子相关蛋白进行募集，从而成功进行基因转录，此外，激活的基因转录也可以通过外加可取代NS3与多肽结合的药物被有效关停（图2b）。进一步，他们还将该体系与SynNotch信号通路相结合，在HEK293细胞中成功实现两者联用，通过外源配体和药物实现目标基因转录的有效激活和关停（图2c, d）。

图2. a. NS3蛋白调控体系调控基因转录示意图；b. NS3体系在有无外加药物情况下调控基因转录的结果；c.NS3蛋白调控体系与SynNotch信号通路联用调控转录示意图；d. NS3蛋白调控体系与SynNotch信号通路调控转录结果

接下来，作者们利用该NS3调控体系进行了介导蛋白片段重组的探究。他们利用海肾萤光素酶作为模型蛋白，将分裂的两个荧光素酶片段分别与NS3和相应抗病毒多肽进行融合，并且测试了不同药物处理下对NS3调控蛋白重组的影响（图3a）。结果显示，NS3体系可以成功介导分裂荧光素酶的重组使其发光，而不同药物的加入会以剂量依赖的形式影响重组的情况（图3b, c）。

图3. a. NS3蛋白调控体系介导荧光素酶重组示意图；b.三种药物处理分别以剂量依赖的形式影响荧光素酶重组情况；c. 不同剂量的Grazoprevir药物添加对有无蛋白酶活性的NS3介导荧光素酶重组的影响

此外，作者们还通过该NS3蛋白调控体系对Cre重组酶在多个体系中进行了调控探究。他们将NS3与其相关抗病毒多肽融合在Cre酶的特定区域，之后通过他们结合引起的变构效应实现Cre酶的活性调节（图4a）。结果显示，通过NS3蛋白及其相关多肽的融合，Cre重组酶活性成功被抑制，而在外加药物后Cre酶活性得以恢复，GFP可以顺利表达（图4b），他们还探究了NS3与Cre酶不同的构建形式对该酶活调控的影响，最终通过外加连接子和引入突变成功实现了Cre酶的最小活性背景和药物调节后更好的酶活恢复效果（图4c）。最终，作者们还将该调控体系拓展到了原核生物大肠杆菌中，并同样获得了很好的Cre重组酶调控效果（图4d, e）。

图4. a. NS3蛋白调控体系调节Cre重组酶活性示意图；b. NS3体系调控Cre重组酶活性结果；c. 不同NS3-Cre构建对于Cre酶活调控的影响；d. NS3-Cre于大肠杆菌体系中应用示意图；e. NS3-Cre在大肠杆菌中活性调控结果

总结来说，作者们通过设计和优化型肝炎顺式蛋白酶NS3及其相关抗病毒多肽和药物体系，实现了特定蛋白质活性的灵活调控。作者们利用该工具成功调控了基因转录、信号通路、片段蛋白重组和特定基因重组，并将其成功拓展到原核生物中，体现了该工具的广泛性和普适性，为蛋白质活性调控提供了一个生物正交且高效灵活的操作方法。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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