上交大-MIT联合团队将膜蛋白变成非膜蛋白，可用于合成生物学和新药研发

来源：DeepTech深科技

近日，上海交通大学陶飞研究员等与美国麻省理工学院的科学家合作，将一种名为“QTY 密码”的简便方法，应用于跨膜受体组氨酸激酶 CpxA 中，使其完全转变为水溶性。

经过设计的 CpxA，不但表现出预期的生物物理特性，而且高度保留了它固有的天然分子功能，包括自激酶活性、磷酸转移酶活性、磷酸酶活性，以及涉及水溶性跨膜结构域的信号受体活性等。

另外，该课题组还探究了水溶性跨膜结构域中结构稳定性与活性平衡的原理，发现其中一个由 QTY 密码引入的致密且动态的氢键网络，可能发挥关键作用。

图丨经过 QTY 设计的 CpxA（来源：Nature Communications）

由于该成果首次实现了具有完整功能的水溶性膜蛋白，因此不仅能够为未来膜蛋白的水溶性设计和功能性设计提供指导，还有望在合成生物学、药物发现、生物传感、结构生物学等领域迎来广阔的应用前景。

例如：

其一，在药物发现方面，可以将组氨酸激酶蛋白作为靶点，来开发更多抗生素产品，以通过不同的作用机制实现对微生物的控制。

其二，在代谢工程方面，可以通过改造或引入特定的组氨酸激酶蛋白，从而有效地操纵细胞的代谢网络。

其三，在生物传感方面，可以开发基于组氨酸激酶蛋白的传感器件，用于识别小分子、气味等物质。

QTY 密码：一种设计水溶性膜蛋白的可行方法

膜蛋白，是指存在于细胞膜、细胞器膜等生物膜中的蛋白质，约占细胞蛋白的 20% 至 30%，在各种生命活动中扮演着重要角色。比如，维持细胞结构稳定、进行物质运输、负责信号转导等。

因此，对它进行研究，是探索生物学过程中一个至关重要的环节，也是生命科学和现代医学的核心。

然而，因其具备高度疏水的特性，膜蛋白研究起来极为困难，需要面临高成本、低表达水平、劳动密集型的去垢剂筛选、难以获得高质量晶体等种种挑战。

所以，截至 2021 年 11 月，在所有已经完成结构解析的蛋白质中，膜蛋白所占的比例不到 1%[1]。

将含有大量疏水性氨基酸的膜结合区域重新设计为水溶性的，是解决上述问题的一种可行性方案。

目前，已经有多项相关研究证明，基于该方案设计出的水溶性变体，均能表现出不同程度的可溶性，以及保持一定的结构特征。

不过，遗憾的是，这些研究只能帮助膜蛋白维持有限的功能，无法使其完整地保留内在的分子功能。

在此基础上，要想攻克上述局限，该领域的研究人员至少需要平衡以下三方面因素。

首先，可溶性。这能使蛋白在无脂质环境中保持稳定。

其次，稳定性。这用于防止当系统性引入大量突变时，原本正确折叠的结构发生崩溃。

再次，活性。这可以免于破坏对于内在生物活性来说十分重要的相互作用网络。

2011-2018 年，上海交大和麻省理工学院的合作团队历经 7 年，发明了用于蛋白质工程改造、尤其是膜蛋白水溶化改造的 QTY 密码。（编者注：QTY 密码中的 Q 代表谷氨酰胺（Gln，Glutamine），T 代表苏氨酸（Thr，Threonine），Y 代表酪氨酸（Tyr，tyrosine）。）

该方法旨在让原本不溶于水的蛋白质变为水溶性，以便促进生化研究，同时保持其天然构象和生物功能。

相较于其他方法，QTY 密码具有两大优势：一是简单且易于操作，不依赖复杂的计算机程序；二是可直接对序列进行设计，不需要将已有的结构数据作为输入。

据了解，在过去几年里，该方法已经被成功地应用于水溶性膜蛋白的设计中，并展示出良好的水溶性、稳定性和配体结合的亲和力。

但是，它究竟能在多大程度上帮助膜蛋白保留生物活性尤其是酶的催化活力，还有待进一步研究。

将 QTY 密码用于组氨酸激酶中，实现具有生物活性和完整分子功能的水溶性跨膜受体蛋白

基于此，在本项研究中，该团队尝试将 QTY 密码这一方法应用于组氨酸激酶这个跨膜受体对象中。

他们不仅首次实现了具有生物活性的膜蛋白水溶化，还保留了组氨酸激酶蛋白拥有的预期生物物理特性和完整的跨膜结构域的功能维持。

“跨膜区域是负责信号转导的。我们的研究能让组氨酸激酶蛋白在完全转变为水溶性之后，还能进行信号转导，并发生它原有的构象变化。”上海交通大学致远荣誉博士研究生李孟轲解释道。

图丨经过 QTY 设计的蛋白跨膜区由致密且动态的氢键网络维持稳定（来源：Nature Communications）

那么，到底是怎样的方法优势，才让研究人员得以保留膜蛋白的生物活性呢？

其实，从水溶化设计的原理来看，只要将表面蛋白质的疏水性氨基酸替换为亲水性氨基酸，就能基本达成目标。

“但事情本身并没有那么简单，因为即便是更换了氨基酸，也还是会给整个蛋白质结构带来很大的影响。所以，我们的这个工作的主要创新是，在改变跨膜区表面疏水性的同时，也对那些稳定蛋白质结构的互作网络进行了优化。”陶飞表示。

另外，同样令人好奇的是，该课题组为何选择将组氨酸激酶这种特定的膜蛋白作为研究对象呢？

对此，陶飞解释道：“这是因为，组氨酸激酶对于微生物来说十分重要。打个比方，如果我们把微生物细胞看作是一个人，组氨酸激酶就相当于这个人的眼睛、鼻子或耳朵，能够发挥识别环境和传感的作用。”

所以，该团队对它进行研究，有助于为将来开展更多有关微生物的工作打下基础，比如对负碳合成生物学底盘蓝细菌的工程化改造。

也就是说，一方面，该研究提供了一种用来研究微生物传感蛋白的通用方法，所以包括该团队在内的领域内研究人员，在之后开展类似的蛋白研究时，都可以基于这种方法，先将目标蛋白水溶化，再进行想要的研究。

另一方面，经过改进的 QTY 密码，不单单能应用于膜蛋白的水溶化，还能为研究其他的膜蛋白提供借鉴。

验证由 QTY 密码引入的氢键网络，在 CpxA 蛋白的跨膜信号传导中发挥关键作用

论文审稿人评价称：“如果 QTY 密码能够被如此成功地运用，那它将极大地推动该领域的发展。”

另外，据了解，目前陶飞课题组主要专注于微生物合成生物学领域的研究，负碳底盘生物蓝细菌是课题组的主要底盘之一。

因此，他也计划带领团队开展更多与蓝细菌相关的组氨酸激酶蛋白研究，希望在厘清它们所拥有的具体功能的同时，将其开发为靶点，以控制蓝细菌的代谢。

同时，他还期待寻求一些对药物开发感兴趣的合作者，把组氨酸激酶蛋白作为靶点，共同开发一些抗生素产品。

参考资料：

1.Tao, F., et al. Enabling QTY server for designing water-soluble alpha-helical transmembrane proteins.mBio 13, e03604–e03621 (2022). 

2.Li, M., et al. Design of a water-soluble transmembrane receptor kinase with intact molecular function by QTY code. Nature Communications 15，4293 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48513-9

排版：刘雅坤