蛋白質是高分子中獨特而重要的一類，它可以通過基因編碼的手段精确合成，在生命體中發揮豐富的功能。長期以來，生物合成的蛋白質往往是線型主鍊。盡管非線型主鍊的拓撲蛋白質有其潛在獨特的功能優勢，但其設計合成（尤其是單結構域拓撲酶）極為困難。

　　近期，beat365張文彬課題組通過對二氫葉酸還原酶（DHFR）的二級結構進行重新接線，利用其天然存在的纏結結構，在不引入外源模闆的前提下實現了單結構域二氫葉酸還原酶索烴（cat-DHFR）的胞内直接合成，且無需任何額外的體外反應。通過SDS-PAGE、SEC、LC-MS、IMS-MS及TEV蛋白酶酶解實驗等對索烴産物進行表征，并證明了其拓撲結構。與線型對照相比，索烴化産物由于構象限制表現出更好的抗熱聚集能力和熱回複性。即使在70 ℃下孵育10 min，索烴DHFR仍能保留超過70%的催化活性，而線型對照幾乎完全喪失活性。預計該策略同樣适用于其他單結構域蛋白質。這将有助于構效關系的探究和闡釋。單結構域索烴的設計和合成方法為蛋白質工程提供了全新的策略，并具有更廣闊的設計空間和更好的可進化性，在工業酶工程和生物醫藥等領域具有廣泛的應用前景。

　　圖1. 索烴化二氫葉酸還原酶的設計與生物合成。(a) l-DHFR（左）和cat-DHFR（中）的拓撲結構示意圖及cat-DHFR的逆合成分析（右）；數字及字母分别指代從N段到C段的β折疊和α螺旋，索烴拆分位點（位于α螺旋-C和β折疊-5之間；示意圖中高亮的線段指代cat-DHFR中産生的新的柔性鍊；星形指代索烴的環I上可能的環狀重排位點，并在該位置融合分離型内含肽；L2指代索烴的環II中新生成的柔性鍊；(b) cat-DHFR的胞内合成過程示意圖，DHFR1進行了環狀重排，按照該部分在野生型DHFR中的順序分别命名為DHFR1-1和DHFR1-2；環I序列中插入TEV蛋白酶識别序列和寡聚甘氨酸柔性鍊，環II序列中插入組氨酸标簽和柔性鍊（L2）。

　　圖2. 拓撲結構對二氫葉酸還原酶性質的影響。(a) DHFR的拓撲變化示意圖；(b) l-DHFR和cat-DHFR的差式掃描量熱法表征及其Tm值；(c) l-DHFR和cat-DHFR的抗熱聚集性質表征；(d) l-DHFR和cat-DHFR在不同溫度下孵育後的酶活性保留情況。

　　該研究近期在線發表于Natl. Sci. Rev.，beat365官方网站博士後方晶為第一作者。beat365官方网站張文彬教授為通訊作者。韓國浦項科技大學JongcheolSeo教授團隊在索烴化二氫葉酸還原酶的拓撲結構表征方面提供了重要幫助。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京分子科學國家研究中心項目、韓國國家研究基金委的支持。

　　原文鍊接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad304

圖文：張文彬課題組

排版：高楊

審核：牛林，彭海琳