基于基因编码非天然氨基酸技术构建分子内交联的稳定蛋白质药物

Poor stability of proteins is a major hurdle for protein therapeutics. Enhancing the thermostability of proteins would increase the stability of protein drugs both in vitro and in vivo. This proposal aims to design and incorporate reactive functional groups into a model therapeutic protein, interferon, at specific sites through genetically encoded unnatural amino acids. After interferon folds, the reactive groups will be brought into appropriate orientation, which will lower the energy barrier and facilitate the crosslinking reaction. An intramolecular covalent bond between different structural domain of the protein will form automatically or through additional biocompatible reagents. We expect that the resultant covalent bond will enhance the thermostability of the target protein and thus its practical lifetime in vitro and in vivo.

蛋白类药物的目前存在的主要问题是稳定性较差。提高蛋白质的三维结构的热力学稳定性是提高其体内体外稳定性的基础。本项目通过基因编码非天然氨基酸合成蛋白质技术，将含有反应性基团的非天然氨基酸引入模型药物干扰素特定位置。通过蛋白质的折叠，使反应性基团实现合理的组装，有利于反应的进行。蛋白质自发或通过加入少量生物相容性试剂，生成分子内链段间的共价键。由于共价键的稳定作用，干扰素的三维结构热力学稳定性将得到巨大的提升，从而提高其在体内和体外的实际稳定性。

本项目立足于使用先进学生物学技术，通过氨基酸模块的引入，并通过蛋白质自身折叠能力，促使非天然氨基酸上的活性基团形成蛋白质内部交联的共价键，从而大幅度提高蛋白质的稳定性，并验证该稳定蛋白质在蛋白药物和酶促转化中的应用。本项目通过多种化学和生物学方法，将含有活泼酯、卤素的非天然氨基酸引入蛋白质的特定位置，开发了相关方法与技术。非天然模块在蛋白自折叠作用下，彼此处于接近位置，自发发生化学反应，形成蛋白质内部交联，促进蛋白质的稳定性的提升。使用该类技术，成功制备了新型基于N肽的HIV融合抑制剂，其抗病毒活性与市售药物相当，体外半衰期远远长于市售药物。利用该技术，还开发了高稳定性人工水解酶，该水解酶能够在90℃孵育后，恢复其水解活性，并能在8M尿素下，保持其60%活性。通过该项技术的开发，丰富了我们改造蛋白质的武器，具有巨大潜在的应用。