近日，西湖大學王懷民研究團隊在Angewandte Chemie-International Edition期刊發表了題為“Spatiotemporal Control over Chemical Assembly in Living Cells by Integration of Acid-Catalyzed Hydrolysis and Enzymatic Reactions”的研究論文，使用設計的多肽分子，透過控制多肽分子組裝的形式，實現了功能多肽分子在細胞內的可控聚合。王懷民博士為本文的通訊作者，楊雪嬌博士為第一作者，西湖大學為第一和通訊單位。
細胞是組成人體的基本活性單元，細胞透過合成多種物質（如蛋白質、核酸、脂質分子等）來維持人體的穩態。人體能一直保持健康狀態，是因為細胞合成這些物質是精確可控並且能隨著疾病環境來進行相應的調控，當這種調控處於失衡狀態，人類就會被各種各樣疾病困擾。各學科的科學家在對疾病產生機理和治療探索方面都做出了很大的貢獻。隨著對細胞精確控制物質合成的理解越來越深入，人為設計和合成化學分子並控制其在細胞裡原位合成功能物質就顯得越來越重要，這是因為人為調控化學分子在細胞裡的行為對了解疾病產生和治療、甚至是生命起源都有很大借鑑意義。然而要在複雜的活細胞里人為精確控制化學分子的合成聚合具有非常大的挑戰：一方面，化學分子進入細胞時，如何避免與細胞內多種組分相互作用？另一方面，化學分子如何才能進入到細胞某個特定部位並形成功能物質？近日王懷民團隊在這方面取得了系列進展。
王懷民研究團隊使用設計的多肽分子，透過控制多肽分子組裝的形式，實現了功能多肽分子在細胞內的可控聚合。他們使用的一種策略為誘導自組裝。簡單來講，自組裝類似壘積木或者組裝變形金剛的過程：把一塊塊積木（基本單元）按照一定的方式組合起來，變成有功能的（如房子結構）結構，發揮人們想要的作用（比如住房）。然而，壘積木是有圖紙可循，即按照加工好的模組一塊塊拼接，誘導組裝要比這難很多。首先要根據想象的功能結構，人為設計合成化學分子，化學分子繼而透過特定條件誘導和識別，才能最終組裝成特定的功能結構。
如下圖所示，該研究團隊透過化學方法，在分子水平上對多肽分子進行翻譯後修飾的調控，給酶特異性底物分子裝上分子剎車片，利用細胞溶酶體內特有的酸性環境調控分子剎車片，構建了一種全新的多肽多層級組裝策略，在活細胞中實現分子水平控制多肽功能結構的原位形成，進而為實現人工精準合成細胞內新物質提供了一種新策略（圖1）。
圖1. A) 多肽分子的化學結構式；含有剎車片的多肽分子在B) 體外和C) 細胞內發生酸解和酶促組裝示意圖。
首先，作者在熒光多肽分子上引入雙（二甲基氨基）磷酸，在雙（二甲基氨基）的保護下，多肽分子不會發生酶解。只有在酸性條件下，P-N鍵會發生斷裂，暴露出酶促反應底物。進一步，在酸性磷酸酶（ACP）的作用下，多肽分子會進一步發生酶解，形成自組裝多肽。冷凍電鏡（Bio-TEM）圖片證明，酸催化水解及酶促組裝的進行可以促進奈米纖維的形成。
將雙（二甲基氨基）保護和磷酸基團修飾的多肽分子與人成骨肉瘤細胞（Saos-2）和前列腺癌細胞（PC-3）共孵育，鐳射共聚焦顯微鏡（CLSM）觀察發現，不帶剎車片的磷酸修飾的多肽分子會在細胞膜表面發生聚集，產生綠色熒光（圖2）；而帶有剎車片的雙（二甲基氨基）保護的分子則會透過巨胞飲作用進入細胞，在溶酶體中產生綠色熒光。對細胞裂解液進行分析，帶有剎車片的多肽分子確實在溶酶體中發生了酸解和酶解。
圖2
A) 不含有和B, C) 含有剎車片的多肽分子與Saos-2細胞共孵育4 h的CLSM圖片；D) 水解和酶解產物含量隨孵育時間變化圖；E) 含有剎車片的多肽分子與Saos-2細胞共孵育不同時間的熒光強度圖。
該工作首次提出透過分子剎車片控制化學分子在體內的可控精準組裝，整合了酸催化水解和酶誘導自組裝，實現了在活細胞中特定細胞器發生分子自組裝。基於該工作，該研究團隊指出控制多肽分子在細胞內發生組裝需要滿足下面幾個條件：
1）設計的多肽分子衍生物需要具備抗酶解特性，保證其在細胞質或細胞膜上不被酶解
2）多肽分子衍生物在細胞內需要發生化學反應，暴露出組裝序列
3）組裝序列可以在特定部位中富集，形成有序結構
該研究的發現為活細胞內精準合成功能性的多肽材料和藥物提供了一種新策略，也為多肽材料用於蛋白和核酸的可控遞送提供了新的方法。例如，以前是在外面合成藥物，藥物化學合成候選物之後，首先在細胞和動物水平上篩選，然後再在人體去篩選。像平時吃的感冒藥，都是外面合成的藥物。該研究團隊的成果為直接在體內原位合成藥物提供了一種可行的策略：本來藥物都是小的片段分子，那麼細胞把這些片段分子都吞進去之後，它自己去組裝起來，比如說讓癌細胞去吞，癌細胞吞完之後，它自己在體內原位合成藥物，那它就只對癌細胞有毒，對正常細胞沒有毒，這等於合成組裝一種可程式設計系統（圖3）。
圖3. 細胞內原位組裝具有抗癌活性物質示意圖
引用文獻：
[1] Yang, X., Lu, H., Tao, Y., Zhou, L., and Wang, H.* Angew. Chem. Int. Ed. Engl., (2021).doi.org/10.1002/anie.202109729 (hot paper)
[2] Hu, L., Li, Y., Lin. X., Huo, X., Zhang, H., and Wang, H* Angew. Chem. Int. Ed. Engl., (2021). doi.org/10.1002/anie.202103507(hot paper)
論文原文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202109729
