國產(chǎn)頂刊Vita：西湖大學(xué)黨波波團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)“雙手通用”的蛋白分子剪刀，用于開發(fā)新型ADC藥物

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

在自然界中，蛋白質(zhì)幾乎全部由L-型氨基酸構(gòu)成，從而進(jìn)化出 L-型（左手型）結(jié)構(gòu)，它們優(yōu)先與其他 L-型蛋白質(zhì)進(jìn)行同手性相互作用，而避免與其 D-型（右手型）對(duì)映體結(jié)合。相應(yīng)的，天然蛋白酶通常被認(rèn)為只能識(shí)別和切割 L-型多肽，而對(duì)其鏡像分子 D-型多肽“視而不見”。這種 L-型蛋白酶只認(rèn) L-型底物的特性，長期以來被視為分子生物學(xué)的一條鐵律。

2026 年 4 月 20 日，西湖大學(xué)黨波波/李恬團(tuán)隊(duì)聯(lián)合黃晶團(tuán)隊(duì)（李夢嬌、陳凱為共同第一作者），在國產(chǎn)期刊Vita上發(fā)表了題為：Transcending Stereochemical Boundaries: Ambidextrous Cleavage of D- and L-Peptide Enantiomers by Natural Eukaryotic Proteases 的研究論文。

該研究突破蛋白質(zhì)同手性識(shí)別這一傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)原則，首次發(fā)現(xiàn)幾種天然真核蛋白酶同時(shí)具有“同手性”和“異手性”識(shí)別催化能力，能夠高效切割相同序列的 L-型及 D-型多肽底物。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)成功將組織蛋白酶 B 的 D-型多肽底物開發(fā)為一種高效的可切割連接子，用于抗體-藥物偶聯(lián)物（ADC），并在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中均展現(xiàn)出顯著的抗腫瘤效果。

這一發(fā)現(xiàn)揭示了天然真核蛋白酶具有此前未被認(rèn)識(shí)到的底物識(shí)別廣度，不僅拓展了關(guān)于蛋白酶特異性的理論框架，也為治療性設(shè)計(jì)開辟了新途徑。

傳統(tǒng)認(rèn)知

生命世界存在著一種深刻的不對(duì)稱性。從氨基酸到糖類，生物分子通常只以兩種可能的鏡像形式（即對(duì)映異構(gòu)體）中的一種存在。天然蛋白質(zhì)和多肽幾乎完全由L-型氨基酸組成。

這種“同手性”是分子間精準(zhǔn)識(shí)別的基礎(chǔ)。可以理解為左手手套只能舒服地戴在左手上。同樣，天然蛋白酶（負(fù)責(zé)切割蛋白質(zhì)的酶）被公認(rèn)為只能高效水解由 L-型氨基酸組成的多肽鏈（L-型多肽），而對(duì)由 D-型氨基酸組成的鏡像多肽鏈（D-型多肽）無能為力。

正是基于這種特性，D-型多肽和蛋白質(zhì)在藥物開發(fā)中展現(xiàn)出巨大潛力。由于體內(nèi)蛋白酶難以降解它們，D-型多肽或蛋白藥物往往具有極高的代謝穩(wěn)定性和低免疫原性，是設(shè)計(jì)長效療法的理想候選。

然而，這種特性也引發(fā)擔(dān)憂：如果存在完全由 D-型分子構(gòu)成的“鏡像生命”，它們可能無法被我們的免疫系統(tǒng)有效識(shí)別和清除，從而構(gòu)成潛在的生物安全風(fēng)險(xiǎn)。

意外發(fā)現(xiàn)

西湖大學(xué)黨波波團(tuán)隊(duì)從一個(gè)簡單卻顛覆性的問題出發(fā)：天然真核生物蛋白酶真的完全不能切割 D-型多肽嗎？

為了尋找答案，他們?cè)O(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)組合 D-型多肽文庫，系統(tǒng)性地篩選了多種真核蛋白酶。

結(jié)果顯示，在篩選的十種蛋白酶中，有三種展現(xiàn)出了切割特定 D-型多肽序列的能力。這三種蛋白酶分別是：木瓜蛋白酶（Papain）、人組織蛋白酶 B（hCATB）和小鼠羧酸酯酶 1c（mCES1c）。

更令人驚訝的是，這些蛋白酶不僅能切割 D-型多肽，也能同樣高效地切割具有相同氨基酸序列的 L-型多肽。這意味著，這些酶是真正“雙手通用”的——同時(shí)具有“同手性”和“異手性”識(shí)別催化能力，能夠以相近的高效催化效率，同時(shí)切割相同序列的 L-型和 D-型多肽底物。

蛋白質(zhì)的同手性和異手性識(shí)別

高效催化

為了探尋這些“雙手通用”蛋白酶的工作機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入分析。他們發(fā)現(xiàn)，與識(shí)別 L-型多肽時(shí)相對(duì)寬松的序列要求不同，這些蛋白酶對(duì) D-型多肽的識(shí)別表現(xiàn)出高度序列特異性。

只有非常優(yōu)化的 D-型多肽序列才能被高效切割。例如，通過系統(tǒng)優(yōu)化，研究團(tuán)隊(duì)為人組織蛋白酶 B 找到了最優(yōu) D-型多肽底物“-rkyyG/w-”（小寫字母代表 D-型氨基酸）。催化效率參數(shù) kcat/Km 達(dá)到了 4.6×104 M-1 s-1

這個(gè)效率是什么概念？它完全可以與一些廣泛使用的、專一性切割 L-型多肽的天然蛋白酶（例如 TEV 蛋白酶、HRV3C 蛋白酶）相媲美，甚至更優(yōu)。這表明，這種“雙手通用”的催化能力并非弱效的副反應(yīng)，而是一種高效、特異的酶學(xué)功能。

結(jié)構(gòu)奧秘

“雙手通用”的分子基礎(chǔ)是什么？為了從原子層面揭示奧秘，研究團(tuán)隊(duì)解析了人組織蛋白酶 B 分別與 D-型多肽和 L-型多肽抑制劑結(jié)合的三維結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)解析顯示，同一種酶采用了截然不同的結(jié)合模式來容納不同手性的底物。D-型多肽和 L-型多肽結(jié)合在活性腔溝的不同側(cè)面，并與酶形成不同的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。

有趣的是，當(dāng) L-型多肽結(jié)合時(shí)，蛋白酶的一個(gè)柔性環(huán)（Thr120-Gly123）會(huì)發(fā)生明顯的構(gòu)象變化，為底物“騰出空間”。這種結(jié)構(gòu)可塑性，可能是蛋白酶能夠打破手性壁壘、實(shí)現(xiàn)“雙手通用”的關(guān)鍵。

分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步證實(shí)，D-型多肽和 L-型多肽在蛋白酶的結(jié)合口袋中能各自找到穩(wěn)定的結(jié)合姿態(tài)，但相互之間的結(jié)合模式并不對(duì)稱。這表明，手性識(shí)別是高度系統(tǒng)特異性的，取決于酶口袋的可塑性與底物構(gòu)象柔性之間的精妙平衡。

應(yīng)用突破

基礎(chǔ)研究的突破，迅速導(dǎo)向了具有重大價(jià)值的應(yīng)用。人組織蛋白酶 B（hCATB）在許多腫瘤細(xì)胞中過表達(dá)，其多肽底物已被廣泛用于設(shè)計(jì)抗體-藥物偶聯(lián)藥物（ADC）中的“可切割連接子”。

ADC 如同一枚“生物導(dǎo)彈”，由靶向癌細(xì)胞的抗體、細(xì)胞毒性載荷以及連接二者的“連接子”構(gòu)成。在腫瘤微環(huán)境中，組織蛋白酶 B 切割連接子，從而精準(zhǔn)釋放 ADC 攜帶的毒素，殺死癌細(xì)胞。

在這項(xiàng)新研究中，研究團(tuán)隊(duì)將優(yōu)化的 D-型多肽序列“-rkyyG-”開發(fā)為新型 ADC 連接子。與目前臨床常用的 L-型多肽連接子相比，這個(gè) D-型多肽連接子展現(xiàn)出多重優(yōu)勢——

首先，D-型結(jié)構(gòu)使其在血液中極其穩(wěn)定，避免了藥物在到達(dá)腫瘤前過早釋放，降低了全身毒性。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在小鼠血漿中，基于 D-型多肽的 ADC 穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)連接子的 ADC。

其次，該連接子含有帶正電荷的氨基酸，水溶性更好，有助于改善 ADC 的理化性質(zhì)。

最后，也是最重要的，它表現(xiàn)出極高的蛋白酶特異性，只被人組織蛋白酶 B（hCATB）高效切割，而對(duì)其他結(jié)構(gòu)相似的組織蛋白酶幾乎無反應(yīng)。這意味著更精準(zhǔn)的腫瘤內(nèi)藥物釋放和更小的脫靶毒性風(fēng)險(xiǎn)。

人組織蛋白酶 B（hCATB）的 D 型多肽底物被開發(fā)為 ADC 藥物的可裂解連接子

在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物模型中，搭載了這種新型 D-型多肽連接子的 ADC 藥物展現(xiàn)了強(qiáng)大的抗腫瘤活性，且在體內(nèi)藥效實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)于基于傳統(tǒng)連接子 ADC，這很可能歸功于其卓越的血漿穩(wěn)定性。

這項(xiàng)研究從根本上拓寬了我們對(duì)蛋白酶特異性的理解框架。傳統(tǒng)上認(rèn)為嚴(yán)格受手性約束的分子識(shí)別，在某些天然蛋白酶中展現(xiàn)出意想不到的靈活性。“雙手通用”的催化能力可能根植于分子識(shí)別的原始起源，或作為潛在的進(jìn)化能力被保留下來。這一發(fā)現(xiàn)提示，通過系統(tǒng)性篩選，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)更多擁有此類隱藏能力的蛋白酶。

從應(yīng)用角度看，這項(xiàng)研究藥物研發(fā)打開了新大門。基于D-型多肽的分子，可以用于開發(fā)新一代蛋白酶抑制劑、活性探針、自組裝材料，以及用于前體藥物的高選擇性可切割連接子，為精準(zhǔn)治療、診斷和分子工程學(xué)開辟了新機(jī)遇。

論文鏈接：
https://www.vita-journal.com/vita/EN/10.15302/vita.2026.03.0022