自然發(fā)生的DNA-蛋白質(zhì)融合分子

研究人員在一項新研究中報告說，由于一個偶然的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們現(xiàn)在可以構(gòu)建DNA-多肽的生物融合分子，將DNA的歸巢能力與蛋白質(zhì)的廣泛功能結(jié)合起來，并且不必一個一個地合成它們。利用自然發(fā)生的過程，實驗室可以利用細菌現(xiàn)有的分子構(gòu)建能力來產(chǎn)生大量潛在治療性DNA-蛋白質(zhì)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(fā)生的肽-堿基融合是罕見的。伊利諾伊大學(xué)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(chǎn)物，這些產(chǎn)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(fù)合物催化前體肽上的天冬酰胺殘基形成六元吡啶酮（pyrimidone）環(huán)，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(fā)生的，需要前體中的His殘基激活天冬酰胺進行雜環(huán)化。研究擴大了RiPP天然產(chǎn)物的化學(xué)型和YcaO酶的催化范圍。這一發(fā)現(xiàn)為創(chuàng)造類似于肽-堿基生物融合分子開辟了道路。研究結(jié)果發(fā)表在《Nature Chemical Biology》雜志上。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校生物化學(xué)教授Satish Nair說:“生物學(xué)中最常見的兩種構(gòu)建模塊是核酸(用于制造RNA和DNA)和氨基酸(構(gòu)成蛋白質(zhì))。”Satish Nair與博士后研究員Zeng-Fei Pei共同領(lǐng)導(dǎo)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(xué)家們一直試圖將它們?nèi)诤系酵粋€分子中。如果你能制造出一種復(fù)雜的蛋白質(zhì)，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(qū)域結(jié)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(zhuǎn)錄，或者結(jié)合致病性非編碼RNA分子來阻止它們的活性。

最初的發(fā)現(xiàn)純屬偶然。Satish Nair和他的同事們一直在尋找與金屬結(jié)合的蛋白質(zhì)，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(chǎn)生的有趣分子，這種分子似乎是DNA-蛋白質(zhì)的融合子。伊利諾伊大學(xué)的研究小組聯(lián)系了John Innes中心的科學(xué)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(fā)現(xiàn)得到證實，美國和英國科學(xué)家合作進行了更深入的分析，以發(fā)現(xiàn)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(zhì)融合體，并確定如何誘導(dǎo)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(xué)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(guī)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(xué)合成。”

在一系列的實驗中，Satish Nair和他的同事發(fā)現(xiàn)，兩種細菌酶一起將某些肽轉(zhuǎn)化為DNA-蛋白質(zhì)融合體。**種酶YcaO修飾肽中的氨基酸，將肽轉(zhuǎn)化為類似堿基的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)化為功能齊全的堿基-蛋白質(zhì)雜合子。該團隊僅通過添加三種成分就能在試管中進行轉(zhuǎn)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(chuàng)造出能夠附著在基因組的任何區(qū)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(fā)現(xiàn)的進程。“現(xiàn)在，我們要開始比賽了，”他說。

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