2023/9/15 9:38:11 阅读：105 发布者：
来源：BioMed科技
随着国自然基金评审结果的公布，今年度北京大学药学院总共有三位优秀的青年科学家获国家杰出青年基金项目资助。从事蛋白质新药研发的刘涛特聘研究员就是其中一位。刘涛来自于科研世家，从小就受到作为南开大学化学院教授的父亲刘育的悉心引导。虽然立志在科研领域做出贡献，但刘涛研究员却选择与父亲不同的生命医学领域开创自己的天地。
刘涛，北京大学药学院特聘研究员，博士生导师，分子与细胞药理系主任，天然药物及仿生药物国家重点实验室PI。2001-2005年，在南开大学获得生命科学专业理学学士学位；2005-2011年，在俄亥俄州立大学获得生物化学专业理学博士学位（导师: Prof. Dehua Pei）；2011-2015年，在斯克里普斯研究所从事博士后工作（方向为化学生物学，Prof. Peter G. Schultz）。2012-2016年，在加州生物医学研究所担任转化医学科学家。2016年起，加入北京大学医学部药学院担任特聘研究员、博士生导师。
刘涛入选北京大学百人计划，是国家自然科学基金优秀青年基金获得者。他的研究领域主要有三个方面：以抗体为主的新一代化学修饰类蛋白大分子药物的研发及应用；以蛋白工程为主的化学生物学新技术的研发及应用；以基因密码子扩展技术为主的合成生物学新技术的研发及应用。在Nat Chem Biol, J Am Chem Soc, Science Advances, PNAS等国际顶级期刊发表科研论文近30篇。他的主要研究方向包括生物技术在生物药物研发以及疾病机理解析中的应用。他发展了含有人造氨基酸的蛋白创新药物，应用在肿瘤及基因治疗等多种领域，从而促进了生物药物的升级换代。获得2018年中国药学会以岭生物医药奖青年奖以及2019年拜耳研究员奖。
下面，我们为读者总结了刘涛研究员进入北大以后的主要工作，与大家一起分享。
Chem：实现四嗪生物正交反应的超分子调控
超快四嗪介导的反电子需求Diels-Alder（IEDDA）反应是生命系统中广泛应用的生物正交反应。为了根据需要精确控制此类反应，北京大学刘涛研究员等人将合成的萘纳米管和苯基四嗪衍生物用作为高亲和力和特异性的主客体对，从而开发了一种超分子控制系统，以通过主体笼化可逆地调节四嗪的反应性。该系统适用于小分子、碳水化合物、氨基酸、核酸、蛋白质和活的哺乳动物细胞，甚至动物体内。此外，蛋白质上的遗传编码的四嗪残基可以被萘纳米管位点选择性识别，从而允许实现连续的IEDDA反应以通过连续的IEDD反应在活细胞中提供位点特异的蛋白质双缀合物和不同的蛋白质标记。研究认为，这是第一种针对四嗪反应物的主客体控制策略，对其在生物正交反应中的新兴应用具有重要价值。
文献链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929423002656?via%3Dihub
Nat. Commun： 蛋白质药物的定点多修饰策略
治疗性蛋白质，比如抗体，激素，干扰素，白细胞介素，酶等等在各类疾病治疗领域发挥着重要的作用，但是这些天然蛋白由于成药性的缺陷，如疗效差，半衰期短，系统性用药毒性大，免疫原性高等问题，难以满足当前科研和临床的需求。对蛋白质进行化学修饰逐渐成为一种重要的对其成药性进行改造的手段。然而，实现蛋白质多修饰，尤其是定点多修饰策略研究相对较少，是亟待解决的科学难题。
针对以上挑战，北京大学刘涛研究员和北京大学第一医院杨兴教授将两个相互正交的四嗪与叠氮修饰在一个非天然氨基酸上，得到了可以进行双重生物正交反应的非天然氨基酸。结合基因密码子拓展技术（非天然氨基酸编码技术），作者可将之前复杂、低效的双氨基酸编码体系转换为简单、高效的单氨基酸编码体系，随后可以在体外通过一锅法实现两种，甚至三种不同效应分子比如荧光，核素，PEG，药物以及核酸的交叉组合定点修饰，进而满足不同的临床需求，如高信噪比肿瘤成像，肿瘤诊疗一体化以及肿瘤杀伤等等，填补了蛋白质定点高效多修饰领域的空白。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36658-y
Angew：仿生共翻译修饰
结构上不同的酰化作用已被用作组蛋白赖氨酸残基上的翻译后修饰（PTM），但其功能和调控在很大程度上仍然未知。有趣的是，在自然界中，赖氨酸酰化类似物吡咯赖氨酸是古生菌中一种独特存在的共翻译修饰（CTM）方式。
受到这一修饰方式的启发，北京大学刘涛研究员/刘小云研究员和中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所研究员罗小舟研究员等人在组蛋白H3K56处创建了一种含有特定位点赖氨酸CTMs（乙酰赖氨酸、巴豆酰赖氨酸或另一种合成类似物）的酿酒酵母模型生物，使用非经典氨基酸突变来提供化学修饰的核小体，以代替其自身的体内核小体。研究进一步证明，与巴豆酰化相比，组蛋白H3K56的乙酰化在一定程度上倾向于为酵母中的DNA修复提供更有利的染色质环境，并且与其他PTM的串扰不同。这项研究为破译真核生物中不同组蛋白赖氨酸PTM的后果提供了一种潜在的通用方法。
文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202205570
Nat. Chem. Biology：密码子扩展细胞疗法用于血糖稳态控制
诱导因子触发的来自设计细胞的治疗性蛋白质表达是一种很有前途的疾病治疗策略。然而，由于大多数诱导物系统利用转录机制，蛋白质表达时间框架不适合许多治疗应用。
北京大学刘涛研究员和华东师范大学叶海峰教授等人设计了一种基于遗传密码扩展的治疗系统，称为非经典氨基酸（ncAAs）触发的治疗开关（NATS），以在翻译水平上实现对同源ncAAs的快速治疗蛋白表达。NATS系统可在2 小时内触发，从而不会在基于转录机制的系统中检测到信号。此外，NATS系统与转录开关兼容，可用于多调控层控制。使用含有NATS系统的微胶囊细胞植入物的糖尿病小鼠可以在90min内缓解高血糖。更重要的是，研究还在植入NATS细胞的糖尿病小鼠中实现了长期血糖控制。该概念验证研究证明了NATS系统用于设计下一代基于细胞的疗法，以实现快速口服诱导的蛋白质表达。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41589-021-00899-z
Angew：利用生物合成策略实现蛋白质药物的多样化修饰
自然界蛋白质一般是由20种天然氨基酸组成，但是随着研究的深入，有限的天然氨基酸的结构类型限制了对蛋白质功能和药物应用的拓展。为了赋予蛋白质更多新的化学物理以及生物功能，基因密码子拓展技术可通过对氨酰-tRNA合成酶进行改造，利用终止密码子编码非天然氨基酸，产生含有众多非天然氨基酸的蛋白质。但是这些非天然氨基酸必须外源供给，合成过程较为复杂，不利于高通量筛选一系列不同结构的氨基酸，而且当药物蛋白进行大规模重组表达时，大大增加了成本，因此阻碍了该技术的广泛应用。
针对这一问题，北京大学刘涛研究员开发了一种高效、廉价、通用的生物合成非天然氨基酸并将其高效引入到蛋白质中的策略。该策略让细胞变成了生产含有非天然氨基酸蛋白质工厂，将便宜市售的苯硫酚类化合物加入到大肠杆菌培养基中，细胞可将大约50种新型非天然氨基酸加入到重组蛋白中，极大地扩展了蛋白质模块构建的化学和功能多样性，降低了重组蛋白生产成本。该技术对于蛋白质类药物研究以及工业化生产具有较大的应用价值和转化潜力。
文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202014540
Angew：利用葫芦[7]和非天然氨基酸识别调节蛋白质功能的通用超分子方法
特异性蛋白质功能的调节对研究和治疗发展都具有重要意义。大量研究已经开发了许多小分子或大分子来控制特定的蛋白质功能，但缺乏一种通用的方法来调节任何给定蛋白质的功能。
北京大学刘涛研究员报道了一种通用的宿主-客体分子识别方法，用基因编码的带有客体侧链的非天然氨基酸修饰蛋白质功能表面，而这些氨基酸可以被葫芦[7]uril特异性识别。使用两种酶和一种细胞因子作为模型，研究表明携带非天然氨基酸的蛋白质的活性可以通过主体分子结合来“关闭”，从而阻断其功能性结合表面。不仅如此，通过用竞争性客体分子进行处理，该蛋白质活性可以获得恢复。该方法为通过分子识别可逆调节蛋白质功能提供了一种通用工具，有望对研究蛋白质功能产生巨大的价值。
文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202100916
Sci. Adv.：利用位点特异性cas9寡核苷酸偶联物提高精确基因组编辑的效率
蛋白质的位点特异性化学偶联可以提高其治疗和诊断的实用性，但很少应用于CRISPR-Cas9这样一个快速发展且具有巨大治疗潜力的领域。在这一领域，同源定向修复的低效率仍然是CRISPR-Cas9介导的精确基因组编辑的主要障碍，这主要是受到切割位点低浓度供体DNA模板的限制。
北京大学刘涛研究员和李默研究员等人通过基因密码子扩展技术将含有叠氮基团的非天然氨基酸定点修饰到Cas9蛋白上，通过直接或者间接与DBCO修饰的oligo-DNA发生点击化学反应，将供体DNA固定在Cas9蛋白上，将DNA精准运送至靶DNA区，增加在切割部位的供体DNA的浓度，在发生切割后，能够迅速提供修复模板从而提升重组效率。非共价组装方式更是提供了通用的蛋白核酸偶联平台，利用碱基互补配对实现无修饰的供体DNA的高效体外组装导入细胞，在细胞水平展现出10倍的同源重组水平的提高。在小鼠胚胎细胞中通过显微注射法导入核酸偶联复合物，在不同剂量组均展现出高效的精准基因敲入的效果，该技术为CRISPR/Cas9用于体外细胞精准编辑，高效构建动物模型提供有力的技术方法。
文献链接：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aaz0051
JACS：蛋白磷酸化研究新技术
酪氨酸磷酸化修饰是常见的蛋白翻译后修饰方式之一，在细胞信号转导中起着重要作用，当该修饰发生异常时，则会导致相关疾病的产生。酪氨酸磷酸化修饰具有可逆性，由蛋白酪氨酸激酶(PTKs)负责添加磷酸基团，由蛋白酪氨酸磷酸酶(PTPs)催化去掉磷酸基团。然而，由于研究技术的瓶颈，对PTPs功能的阐述以及其与底物相互作用的研究仍然处于初级阶段。
北京大学刘涛研究员合成了一系列基于酪氨酸的不可逆PTP抑制剂，其特征是在具有扩展遗传密码的细胞中的底物蛋白上进行位点特异性编码。通过微调化学反应性，研究确定了在体外和哺乳动物细胞中共价交联PTP及其底物的最佳活性氨基酸探针。以HER2为例，研究首次提供了HER2 Y1023和SHP2在活的人类细胞中原位交联的直接证据。此外，使用该方法进行的蛋白质组学分析揭示了PTP1B为HER2的新型磷酸酶，其可特异性地去磷酸化pY1221位置，这有望揭示PTP1B在HER2阳性乳腺癌症中的作用之谜。这种新方法为分析活细胞中酪氨酸磷酸调节提供了一种有用的工具。
文献链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b06922
PNAS：延长二硫键可增强蛋白质稳定性
二硫键在蛋白质折叠和稳定性中起着重要作用。然而，半胱氨酸二硫化物交联蛋白质内的位点具有显著的距离和二面角限制。斯克里普斯研究所Peter G. Schultz研究员（刘涛为第一作者）等人报道了含有长侧链硫醇的非经典氨基酸的遗传编码，这些氨基酸很容易以高产率和优异的保真度结合到细菌和哺乳动物蛋白质中。这些氨基酸可以与半胱氨酸配对，提供延伸的二硫键，并允许蛋白质的更远位点和不同结构域的交联。为了证明这一观点，研究还使用含有这些非经典氨基酸的随机β-内酰胺酶突变体库，在非容许温度下进行了基于生长的选择实验。因此鉴定出一种突变酶，该酶通过一个这样延伸的二硫键交联，可在~9°C下稳定。这一结果表明，在经典的20个氨基酸之外，一组扩展的构建块可以通过独特的机制产生具有改进性质的蛋白质，这与通过常规诱变方案产生的机制不同。
文献链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1605363113
JACS：抗体蛋白酶抑制剂的合理设计
具有超长CDR3H的牛抗体BLV1H12为将新功能工程化到抗体的可变区提供了一种新的支架。通过用源自天然或合成蛋白酶抑制剂的序列修饰BLV1H12的β链“柄”，加州生物医学研究所Feng Wang和斯克里普斯研究所Peter G. Schultz研究员（刘涛为第一作者）等人产生了具有低至纳摩尔水平亲和力的抑制牛胰蛋白酶和人中性粒细胞弹性蛋白酶（HNE）的抗体。此外，同样地，研究还能够使用与BLV1H12具有高度同源性的人免疫球蛋白支架产生人源化变体，并进一步优化产生了具有亚纳摩尔水平亲和力的高选择性人源化抗HNE抗体。这项工作证明了一种产生抗体的新策略，该抗体对参与人类疾病的细胞外蛋白酶具有有效和选择性的抑制活性。
文献链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja5130786
PNAS：功能性人抗体CDR融合物作为长效治疗性内分泌激动剂
许多治疗蛋白质的血浆半衰期短，因此需要频繁注射才能达到治疗效果；这反过来又会对患者的依从性和生活质量产生不利影响。相比之下，治疗性抗体在人类中的半衰期通常为数周。因此，人们对产生具有激动剂或拮抗剂活性的功能性抗体非常感兴趣。
基于具有折叠良好的超长互补决定区（CDR）的牛抗体的3D结构，加州生物医学研究所Feng Wang和斯克里普斯研究所Peter G. Schultz研究员（刘涛为第一作者）等人提出了一种产生具有优异药理学特性的人或人源化抗体激动剂的通用方法。使用人生长激素（hGH）和人瘦素（hLeptin）作为模型蛋白，研究证明，通过将天然激素移植到人源化抗体赫赛汀的不同CDR中，可以有效地工程化功能性人抗体CDR融合。所得到的赫赛汀CDR融合蛋白在哺乳动物细胞中以良好的产率表达，并保持与天然激素相当的体外生物活性。对啮齿类动物的药理学研究表明，这些抗体激动剂的血浆循环半衰期增加了20至100倍，并且在GH缺陷大鼠模型和瘦素缺陷肥胖小鼠模型中，hGH和hLeptin抗体融合的体内活性均显著延长。这些结果说明了抗体CDR融合作为产生长效蛋白质疗法策略的通用性。
文献链接：
https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1423668112
JACS：CDR型CXCR4特异性抗体的合理设计
具有超长重链互补决定区3（CDRH3）的牛抗体（BLV1H12）为抗体工程提供了一种新的支架。通过用采用β-发夹构象的修饰CXCR4结合肽取代BLV1H12的延伸CDRH3，北京大学刘涛研究员等人产生了特异性靶向CXCR4受体配体结合口袋的抗体。这些工程化抗体可以低纳摩尔范围的结合亲和力选择性地结合表达CXCR4的细胞。此外，在transwell测定中，它们可抑制SDF-1依赖性信号转导和细胞迁移。最后，研究还证明了类似的策略可以应用于其他CDR，并表明CDRH2肽融合物可以0.9nM的Kd结合CXCR4。这项工作说明了基于支架的抗体工程的多功能性，并有望在未来大大扩展抗体的功能库。
文献链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja5042447
来源：BioMed科技
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