用类肽残基重新构建胶原三螺旋

在20个天然氨基酸中，脯氨酸是唯一具有N取代基团的氨基酸，它促进了独特的蛋白质二级结构。在众多N取代的类氨基酸化合物中，为什么自然进化只选择了脯氨酸来构建蛋白质？以脯氨酸为代表的N取代类氨基酸在蛋白折叠中的规律有哪些？近日，Journal of the American Chemical Society 发表了李旸等研究人员在犹他大学的工作，对这些问题做了深入探讨。

普通氨基酸（左）的侧链连在α碳原子上。而与脯氨酸（中）类似，N-取代甘氨酸N-gly（右）的侧链连接在氨基氮原子上。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

他们的研究以一种常见又重要的蛋白质——胶原蛋白为模型。胶原蛋白是人体中含量最丰富的蛋白质，是几乎所有人体组织的必要组分。其高脯氨酸含量对形成其标志性的三螺旋结构至关重要。50多年来，脯氨酸一直被认为是人工合成胶原蛋白结构和性能的必需品。研究人员希望打破这一思维定式，用N-取代甘氨酸（N-gly），也称为类肽残基，重新构建序列多样的、高稳定性的胶原三螺旋。

用类肽残基N-gly构建的序列多样的、高稳定性的三螺旋胶原肽（下），以及含有类肽残基的胶原三螺旋晶体结构（背景）。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

该研究团队发现，用众多不同的N-gly取代胶原蛋白模拟肽（CMP）序列中间的脯氨酸后，三螺旋普遍体现出接近或超过原先的稳定性。在原子分辨的多肽晶体结构、圆二色谱和分子动力学模拟计算的支持下，研究团队发现，N-gly稳定三螺旋主要是通过空间位阻，将CMP肽链预折叠成三螺旋的单链前体状态——聚脯氨酸-II螺旋。研究组还展示了带有奇异官能团的侧链（包括可点击的炔和光敏侧链）的N-gly使CMP能够用于功能性应用，包括对细胞粘附和迁移的时空控制。本研究揭示的三螺旋结构的折叠新原理与新基元，使得合成稳定的胶原三螺旋具备了前所未有的侧链多样性，这为新一代的模拟胶原结构的治疗药物和生物材料提供了广阔的新机遇。

J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 10910–10919, DOI: 10.1021/jacs.1c00708