天然无序肽的异手性和异构自组装使得肽超螺旋具有卓越的蛋白水解稳定性

《Journal of the American Chemical Society》：Heterochiral and Heterotypic Self-Assembly of Intrinsically Disordered Peptides Confers Peptide Supercoils with Exceptional Proteolytic Stability

内源无序多肽通过异构型、异种电荷组装形成超螺旋结构，显著提升L-肽对蛋白酶K的稳定性达360倍，并增强磷酸化酪氨酸对磷酸酶的抵抗。这种动态自组装机制依赖静电相互作用和π-π堆积，为设计稳定的生物材料提供了新策略。

　　在生命科学领域，手性（chirality）一直是研究的重点之一，尤其是在同源超分子结构的构建中。然而，在异源肽组装中，手性差异的应用相对较少，尤其是在天然无序肽（intrinsic disordered peptides, IDPs）的背景下。IDPs 是一类在生理条件下缺乏稳定三维结构的肽，它们通常来源于天然无序蛋白或人为设计以模拟细胞信号、分子识别和调控途径中的功能基序。由于其结构的灵活性，IDPs 能够与多种靶标进行高特异性但低亲和力的相互作用，因此在药物开发中展现出巨大的潜力，尤其是在靶向蛋白质-蛋白质相互作用和调节细胞内信号通路方面。例如，TAT 肽、LL-37 抗微生物肽以及 IL-10 的 C 端结构域 IT9302 等 IDPs 都在治疗癌症、神经退行性疾病和感染性疾病中显示出前景。然而，这些 IDPs 在体内面临的主要挑战之一是其易受蛋白酶快速降解，从而显著缩短其半衰期。因此，提高其蛋白酶稳定性对于基于 IDPs 的药物开发至关重要，尤其是对于需要长期释放的应用。

本文的研究首次揭示了 IDPs 异源异手性组装形成的超螺旋结构。通过将芳香基团连接到具有相反电荷和手性的 IDPs 上，可以得到正负电荷 IDPs 的组合，当以 2:1 的比例混合时，这些结构会形成超螺旋。这种超螺旋不仅增强了 IDPs 的抗蛋白酶降解能力，还显著提升了磷酸酪氨酸（phosphotyrosine）的稳定性，使其能够抵抗强效的磷酸酶（alkaline phosphatase, ALP）降解。这一发现为设计具有可调酶稳定性的基于 IDPs 的超分子材料提供了新的思路，这些材料在体内环境中展现出广泛的应用潜力，特别是在需要依赖 IDPs 酶稳定性的治疗场景中。

研究中采用了一种基于异手性 IDPs 的异源组装策略。通过合成两种不同的肽：一种是带负电荷的磷酸六肽 Pyn-(l)-EEEEEY，另一种是带正电荷的六肽 Pyn-(d)-kkkkkk，研究人员发现当它们以 2:1 的比例混合时，会形成稳定的超螺旋结构。这种结构在扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）下表现出独特的形态，如环形的超螺旋结构，这表明异手性之间的相互作用能够引导出复杂的组装路径。进一步的荧光成像和光谱分析也支持了这一结论，显示出肽之间通过电荷互补和手性匹配形成的有序结构。值得注意的是，这种超螺旋结构的形成具有高度的可重复性和可预测性，说明了其在设计超分子材料中的重要性。

研究还发现，这种异源异手性组装的稳定性不仅依赖于电荷互补，还与分子结构的灵活性密切相关。例如，当混合比例为 2:1 时，正电荷的 IDPs 能够有效保护负电荷的 IDPs，从而显著增强其抗蛋白酶降解能力。相反，当比例为 1:2 时，负电荷的 IDPs 则可能促进正电荷 IDPs 的降解。这一现象表明，异源异手性组装在调节肽的酶稳定性方面具有独特的优势。此外，这种结构还能增强磷酸酪氨酸的稳定性，使其在面对强效磷酸酶时表现出显著的抗降解能力。这些发现不仅为 IDPs 的药物开发提供了新的策略，还为设计具有可控降解特性的生物材料开辟了新的可能性。

在进一步的研究中，研究人员探讨了不同序列变体对超螺旋形成的影响。通过调整肽的长度和电荷密度，可以观察到不同的组装行为。例如，当负电荷肽的长度减少时，其与正电荷肽的相互作用可能会导致更少的超螺旋形成，而是形成其他类型的纳米结构，如纳米颗粒或纳米片。而当正电荷肽的长度增加时，其与负电荷肽的相互作用则会促进更丰富的超螺旋结构。这表明，肽的长度和电荷分布对组装过程具有重要的调控作用。此外，研究人员还通过时间分辨的荧光成像和动态监测，揭示了超螺旋形成的动态过程。例如，在环状结构形成过程中，首先会形成液态的中间体，随后逐渐转变为固态的纤维结构。这种动态过程的观察为理解肽自组装的机制提供了新的视角。

研究还涉及了超螺旋结构在不同 pH 条件下的稳定性。在中性 pH 条件下，超螺旋结构能够稳定存在，并且在酸性或碱性条件下表现出不同的行为。例如，在 pH 2 和 pH 10 条件下，超螺旋结构可能会发生解聚，形成不同的纳米结构。这表明，pH 的变化会影响超螺旋的形成和稳定性，进而影响其在体内环境中的功能表现。此外，研究人员还发现，超螺旋结构在不同温度条件下也表现出一定的稳定性，这可能与其分子间的相互作用有关。

通过实验，研究人员验证了超螺旋结构对肽酶稳定性的显著提升。在蛋白酶 K 的作用下，单独的 IDPs 会在短时间内被完全降解，而异源异手性组装的 IDPs 则能够保持结构的完整性，表现出显著的抗降解能力。这一结果不仅揭示了超螺旋结构在保护 IDPs 免受酶降解方面的潜力，还为开发新型的生物材料和药物递送系统提供了理论基础。此外，超螺旋结构在面对磷酸酶时也表现出优异的稳定性，这表明其在调节肽的后翻译修饰稳定性方面具有重要的应用价值。

综上所述，本文的研究揭示了异源异手性 IDPs 自组装形成的超螺旋结构及其在提高酶稳定性方面的潜力。这些结构不仅能够抵抗蛋白酶的降解，还能够稳定磷酸酪氨酸，使其在体内环境中保持较长的半衰期。此外，这些结构的形成具有高度的可重复性和可控性，表明其在设计超分子材料中的广泛应用前景。研究还表明，电荷互补和手性匹配是调控自组装路径和最终形态的关键因素，而分子间的相互作用（如静电作用和疏水作用）则进一步增强了结构的稳定性。这些发现不仅为 IDPs 的药物开发提供了新的策略，还为理解肽自组装的机制和设计具有可控降解特性的生物材料提供了重要的理论支持。