细胞微环境调控的蛋白质化学修饰新原理和新应用

Protein is the key component of cells, it is currently well known that the abnormal expression or malfunction of protein is associated with various diseases. With the advance of protein chemistry, molecular biology and cell biology, it has become an invaluable tool to control cell signaling and develop biotherapeutics using proteins. With the aim of understanding the chemical biology principle and explore the biomedical application of protein, we propose to develop new strategies and methologies for the chemical modification of protein, and to study their potential for targeted cancer therapy. Through the route of chemical modification and de-modification, we will be studying the modulation of protein structure and activity in the presence of tumor cell microenvironment. Additionally, to overcome the poor cell penetration capablity of protein, we propose to develop a library of cationic lipids, and to precisely control the assembly of protein and lipid to prepare nanoparticle for the intracellular delivery of chemically modified protein. By combining the stratety of chemical modification, self-assembly, and intracellular delivery of protein, we propose to develop a novel approach for targeted cancer therapy.

蛋白质是细胞的基本组成物质，是生命活动的主要承担者。研究表明人类多数疾病的发生发展均与细胞内蛋白质的异常表达或者功能缺失引起。随着蛋白质化学和分子、细胞生物学的迅速发展，利用蛋白质精准干预调控细胞信号通路已经成为发展生物技术新药和精准医学的重要手段。本项目拟针对蛋白质化学生物学及其生物医学应用研究中的关键问题，发展蛋白质化学修饰新原理和新方法，并研究其在肿瘤靶向治疗中的新应用。通过设计蛋白质修饰-去修饰的化学反应，利用疾病微环境（如肿瘤细胞微环境），在活细胞层次调控蛋白质的化学结构和功能。同时，针对蛋白质分子细胞穿透能力差的特点，设计合成新型阳离子脂质体药物载体，精确调控脂质体与化学修饰蛋白质之间的超分子自组装，制备功能性纳米材料，以实现细胞层次化学修饰蛋白质的高效靶向输送及细胞功能干预调控。基于以上原理，发展基于外源性蛋白质化学修饰、组装和输送的肿瘤靶向治疗新策略。

蛋白质是生命活动的主要执行者。人类疾病的发生、发展与细胞内蛋白质的表达异常或功能缺失密切相关。因此，基于蛋白质调控生命过程对于疾病诊断和治疗研究具有重要意义。 本项目在执行期间，针对蛋白质化学生物学及其生物医学应用研究中的关键问题，发展了系列蛋白质化学修饰新原理和新方法，并基于疾病细胞微环境调控蛋白质的去修饰反应，实现了蛋白质功能的选择性和高效激活。进一步，通过发展蛋白质智能递送技术，实现了化学修饰蛋白（蛋白质前药）在细胞及活体层次的选择性激活。主要成果总结如下： 1）发展了系列对疾病细胞微环境响应的蛋白质化学修饰方法，以GFP和RNase A蛋白为模型，构建了靶向肿瘤细胞还原性氛围以及NQO1酶的蛋白质前药；2）发展了系列阳离子脂质体递送载体，通过调控载体与蛋白质的可控组装，实现了蛋白质药物的细胞及肿瘤靶向递送，成功应用于肿瘤靶向治疗； 3）基于金属-有机框架材料以及配位超分子与蛋白质的可控组装调控，发展了蛋白质细胞递送新策略，实现了CRISPR/Cas9基因编辑递送及化学前药激活。本项目所发展的蛋白质修饰及智能递送策略为在分子水平上揭示蛋白质调控生命过程的化学本质，发展疾病诊断和治疗的分子工具奠定基础。