北京時(shí)間2026年4月3日，西湖大學(xué)黨波波、周挺團(tuán)隊(duì)在 Science 發(fā)表研究成果“A high-throughput selection system for fast-acting covalent protein drugs”，報(bào)道了一種用于快速工程化共價(jià)蛋白藥物的高通量篩選平臺(tái)。該研究通過(guò)結(jié)合蛋白質(zhì)工程與化學(xué)生物學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)共價(jià)蛋白反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)優(yōu)化，并成功開(kāi)發(fā)出多種具有快速共價(jià)結(jié)合能力的功能蛋白，為共價(jià)蛋白藥物的設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)路線。

論文截圖

共價(jià)小分子藥物通過(guò)與靶標(biāo)形成不可逆共價(jià)鍵，可顯著提高結(jié)合持久性和藥效，在抗癌藥物開(kāi)發(fā)中取得了巨大成功。近年來(lái)，研究人員開(kāi)始探索將這一策略拓展至蛋白藥物，尤其是具有良好組織穿透能力的工程化小型蛋白。然而，共價(jià)蛋白藥物的發(fā)展面臨一個(gè)關(guān)鍵難題：小型蛋白在體內(nèi)往往清除較快，而共價(jià)鍵形成速度較慢，二者之間存在明顯的動(dòng)力學(xué)不匹配。此外，目前仍缺乏能夠系統(tǒng)優(yōu)化共價(jià)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的高通量蛋白質(zhì)工程技術(shù)平臺(tái)。為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)精確調(diào)控化學(xué)反應(yīng)基團(tuán)在蛋白結(jié)構(gòu)中的空間定位，使蛋白骨架對(duì)反應(yīng)基團(tuán)進(jìn)行“預(yù)組織”，從而加速共價(jià)鍵的形成（圖1）。

圖1. 快速反應(yīng)共價(jià)蛋白的設(shè)計(jì)原理：交聯(lián)基團(tuán)與蛋白序列的協(xié)同工程化

基于這一理念，研究團(tuán)隊(duì)建立了一種結(jié)合酵母表面展示與化學(xué)蛋白修飾的高通量篩選平臺(tái)。該系統(tǒng)可以同時(shí)篩選多種化學(xué)反應(yīng)基團(tuán)以及數(shù)百萬(wàn)個(gè)蛋白突變體，并通過(guò)流式分選快速篩選出具有高效共價(jià)結(jié)合能力的蛋白分子。這一平臺(tái)不僅能夠優(yōu)化反應(yīng)基團(tuán)的位置，還能夠系統(tǒng)調(diào)控反應(yīng)位點(diǎn)周圍的局部化學(xué)環(huán)境，從而顯著提高共價(jià)反應(yīng)速率（圖2）。

圖2. 基于酵母展示的快速反應(yīng)共價(jià)蛋白篩選流程

利用該平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)首先開(kāi)發(fā)出一種能夠快速與免疫檢查點(diǎn)蛋白PD-L1形成不可逆共價(jià)鍵的拮抗蛋白IB101。結(jié)構(gòu)分析表明，該蛋白通過(guò)形成特定結(jié)合口袋，將反應(yīng)基團(tuán)穩(wěn)定定位于反應(yīng)構(gòu)象，從而顯著加速共價(jià)鍵形成。功能研究顯示，IB101能夠有效阻斷PD-1/PD-L1免疫抑制信號(hào)，并在小鼠腫瘤模型中表現(xiàn)出顯著的抗腫瘤活性。與傳統(tǒng)抗體藥物相比，這種共價(jià)蛋白能夠在短時(shí)間內(nèi)與靶標(biāo)形成穩(wěn)定結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)更持久的功能阻斷（圖3）。

圖3. IB101與PD-L1形成快速共價(jià)結(jié)合并表現(xiàn)出顯著抗腫瘤效果

除了拮抗型蛋白，研究團(tuán)隊(duì)還將該平臺(tái)應(yīng)用于細(xì)胞因子類激動(dòng)型蛋白的工程化改造，設(shè)計(jì)出一種共價(jià)化IL-18細(xì)胞因子IB201。該分子能夠與其受體形成快速共價(jià)結(jié)合，從而增強(qiáng)細(xì)胞因子信號(hào)的穩(wěn)定性和持續(xù)時(shí)間。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，IB201能夠顯著增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng)，并在多個(gè)腫瘤模型中表現(xiàn)出良好的治療效果。同時(shí)，該分子在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中未觀察到明顯的系統(tǒng)毒性，顯示出良好的安全性潛力。這一結(jié)果表明，共價(jià)工程策略不僅適用于拮抗蛋白，也可以用于增強(qiáng)細(xì)胞因子類激動(dòng)型蛋白藥物的功能（圖4）。

圖4. 共價(jià)化IL-18細(xì)胞因子IB201增強(qiáng)抗腫瘤免疫反應(yīng)

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了共價(jià)修飾策略的通用性，利用化學(xué)修飾手段開(kāi)發(fā)出針對(duì) SARS-CoV-2 受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RBD）的共價(jià)抑制蛋白。該分子能夠與病毒關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位點(diǎn)形成穩(wěn)定共價(jià)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)持久的病毒中和效果（圖5）。這一結(jié)果表明，該技術(shù)平臺(tái)不僅適用于免疫治療靶點(diǎn)，也可拓展至抗病毒蛋白藥物的開(kāi)發(fā)。

圖5. 快速反應(yīng)共價(jià)蛋白策略可應(yīng)用于抗病毒蛋白藥物開(kāi)發(fā)

總體而言，該研究建立了一種通用的共價(jià)蛋白工程化策略，使共價(jià)蛋白能夠在與體內(nèi)快速清除相匹配的時(shí)間尺度內(nèi)完成共價(jià)結(jié)合，從而突破了限制該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。該技術(shù)有望推動(dòng)新一代具有快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與持久靶標(biāo)結(jié)合能力的生物藥物的開(kāi)發(fā)，并為免疫治療、抗病毒治療等領(lǐng)域提供新的分子設(shè)計(jì)思路。

西湖大學(xué)博士生范瓊軒，博士生梅家豪，副研究員李恬，博士后臧傳龍，博士生李夢(mèng)嬌，科研助理湯靜為第一作者，西湖大學(xué)黨波波研究員，周挺研究員和黨波波實(shí)驗(yàn)室副研究員李恬為本文通訊作者。

本研究獲得了浙江省“領(lǐng)雁計(jì)劃”研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、西湖實(shí)驗(yàn)室（生命科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)浙江省實(shí)驗(yàn)室）、西湖大學(xué)未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心以及西湖教育基金會(huì)的資助。

編輯、審核：胡大可

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