赖氨酸可逆共价弹头修饰的噬菌体展示库：新型蛋白质可逆共价配体的筛选手段

近年来，多肽药物作为新型的治疗方式得到了越来越多的关注。相比于传统的小分子药物和大分子生物药物（如单克隆抗体），多肽药物具有结构稳定、合成简便、作用效果强等诸多优势。高通量筛选平台能够轻松构建和筛选具有超过十亿个独特序列的肽库，大幅提高了药物筛选的效率。其中，噬菌体展示技术已经成功揭示了许多针对各种蛋白质靶标的肽探针和高效抑制剂。然而，这些噬菌体多肽库受限于核糖体天然合成的线性或者简单的二硫键环肽，使得筛选出的多肽配体仅显示出中等或者较低的抑制效力。对天然的噬菌体展示库进行化学修饰引入非天然结构，特别是能参与可逆共价反应的官能团，不仅能够有效地拓宽多肽库的多样性，而且能够提供新的蛋白质-药物相互作用机制，为具有挑战性的蛋白质靶标提供更加强力有效的配体。

波士顿学院高建民（点击查看介绍）课题组长期致力于生物分子官能团可逆共价反应的研究。在过去的几年中，该课题组相继报道了可逆的亚氨基硼酸酯 (iminoboronate，图1A) 化学以及它在分子探针和环肽合成的应用 (Nat. Commun., 2015, 6, 6561; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 2098; J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 6137; J. Am. Chem. Soc., 2022, 144, 1152–1157)。近日，该团队将该可逆共价反应与噬菌体展示技术完美结合，发展一类新型的可逆共价弹头修饰的噬菌体展示多肽化合物库，为靶向蛋白质配体的高效筛选提供了新的途径。

图1. (A) 2-乙酰苯基硼酸 (APBA) 与胺的可逆共价反应。(B) APBA修饰的线性噬菌体多肽库。(C) APBA修饰的环状噬菌体多肽库。

2-乙酰苯基硼酸（APBA）是一种强大的胺基靶向弹头（warhead），它能够通过形成亚氨基硼酸酯，与蛋白质表面的赖氨酸发生可逆的结合作用，从而增强多肽配体与蛋白质的结合能力。为了验证这一设想，该团队从天然的二硫键噬菌体多肽库出发，通过化学修饰手段，将 2-乙酰苯基硼酸 (APBA) 引入多肽片段，构建了新型的噬菌体APBA展示多肽库，包括线性多肽和环状多肽。利用APBA修饰的噬菌体展示多肽库，他们选用难以成药的金黄色葡萄球菌分选酶Sortase A (SrtA) 以及 新型冠状病毒SARS-CoV-2的刺突蛋白受体结合区域作为模型蛋白，进行了多肽配体筛选。对于这两种蛋白质靶标，该APBA噬菌体展示多肽库都能筛选得到高亲和力的多肽配体，并且展现出出色的结合特异性。与传统二硫键噬菌体多肽库的筛选结果相比，APBA多肽库不仅能够得到靶向目标的新型氨基酸序列，而且能够将多肽配体和蛋白质结合力提升4-20倍。此外，构效关系研究也明确证明了 APBA和赖氨酸的可逆共价作用在提升APBA多肽配体-蛋白质结合中发挥了至关重要的作用。利用APBA修饰的噬菌体展示技术，他们成功实现了活细胞分选酶抑制剂和高灵敏度的刺突蛋白检测。

图2. APB修饰的噬菌体展示库筛选分选酶 SrtA 的多肽配体。(A) 具有不同交联剂的 CX₆C 环肽噬菌体展示库。(B) 不同CX₆C 环肽噬菌体展示库富集的多肽序列。(C) 多肽S4 的构效关系研究。

虽然通过该技术筛选出的新型冠状病毒刺突蛋白配体未能抑制其与人类 ACE2 (hACE2) 蛋白之间的相互作用，但是这些高亲和多肽可以作为强大的分子工具，应用于冠状病毒刺突蛋白的高灵敏度检测以及新冠疾病的诊断（图3）。

图3. (A) APBA修饰的 CX₉C 环肽噬菌体展示库对新型冠状病毒SARS-CoV-2的刺突蛋白受体结合区域筛选富集的多肽序列。(B)(C) 可逆共价配体用于新型冠状病毒检测。

该团队首次开发了可逆共价弹头修饰的噬菌体展示多肽库，并展示了该技术在发现靶向赖氨酸可逆共价蛋白质抑制剂中的强大作用。上述成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，论文第一作者为波士顿学院郑萌萌博士，通讯作者为波士顿学院高建民教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Lysine-Targeted Reversible Covalent Ligand Discovery for Proteins via Phage Display

Mengmeng Zheng, Fa-Jie Chen, Kaicheng Li, Rahi M. Reja, Fredrik Haeffner, and Jianmin Gao

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c07375

导师介绍

高建民

https://www.x-mol.com/university/faculty/2147