5月27日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、前沿交叉學(xué)科研究院生命科學(xué)聯(lián)合中心陳鵬教授課題組和王初教授課題組的合作成果以“Machine-learning-assisted universal protein activation in living mice”為題在《細胞》（Cell）雜志在線發(fā)表。

兩個課題組通過持續(xù)的深入合作，開發(fā)了融合“機器學(xué)習(xí)與生物正交剪切反應(yīng)”的蛋白質(zhì)活體激活技術(shù)，實現(xiàn)了“鄰近脫籠”策略從活細胞向活體動物的突破。

該工作通過機器學(xué)習(xí)與生物正交剪切反應(yīng)融合驅(qū)動，獲得了一種創(chuàng)新的蛋白質(zhì)原位激活平臺技術(shù)CAGE-Proxvivo，能夠在活體動物中瞬時激活目標蛋白質(zhì)的功能，并精確調(diào)節(jié)蛋白-蛋白相互作用。此外，CAGE-Proxvivo還可以調(diào)節(jié)細胞表型，誘導(dǎo)腫瘤細胞發(fā)生焦亡，增強抗腫瘤免疫響應(yīng)。

CAGE-Proxvivo技術(shù)使得生物正交剪切反應(yīng)邁入了“任意蛋白+活體應(yīng)用”的新時代，相當于找到了一把“萬能鑰匙”，可以隨心所欲地調(diào)控蛋白質(zhì)的活性。這標志著活體化學(xué)反應(yīng)發(fā)展的重要突破，不僅為動態(tài)生物學(xué)過程的原位研究提供了強大工具，也為按需式精準治療開辟了新的途徑。

論文截圖

什么是生物正交反應(yīng)？

生物正交反應(yīng)是指可以在生物體系中進行且不與內(nèi)源生命過程相互干擾的化學(xué)反應(yīng)。這類反應(yīng)的發(fā)展，不僅拓展了傳統(tǒng)有機化學(xué)反應(yīng)的生物學(xué)應(yīng)用邊界，也將合成化學(xué)的邏輯引入生命系統(tǒng)研究，革新了生命過程的分子解析與精準調(diào)控方式，為揭示復(fù)雜生理、病理機制提供了全新視角。

以“點擊化學(xué)”為代表的生物正交反應(yīng)因為有效解決了復(fù)雜生命體系中特定生物分子的原位標記與示蹤等關(guān)鍵科學(xué)難題，獲得了2022年度諾貝爾化學(xué)獎，但這一以“偶聯(lián)”為核心的化學(xué)反應(yīng)模式仍存在局限，難以實現(xiàn)對生物大分子功能的調(diào)控和解析。

陳鵬課題組長期致力于“活細胞化學(xué)反應(yīng)”的開發(fā)與應(yīng)用，在國際上率先提出并發(fā)展了基于“斷鍵”化學(xué)的生物正交反應(yīng)——生物正交剪切反應(yīng)（Bioorthogonal Cleavage Reaction, Nat. Chem. 2014, 6, 352.）。與傳統(tǒng)的“連接”反應(yīng)不同，這種剪切反應(yīng)通過化學(xué)鍵的斷裂，實現(xiàn)對靶標分子中掩蔽基團的時空可控釋放。

該策略突破了利用化學(xué)反應(yīng)調(diào)控生物大分子功能的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了蛋白質(zhì)在活細胞等環(huán)境中的精準“脫籠”和激活，使得生命過程和分子互作在特定的時間和空間內(nèi)被精確開啟，為活細胞的功能研究開辟了新的途徑。

化學(xué)（光）脫籠生物正交剪切反應(yīng)的發(fā)展歷程

什么是“脫籠”？

“化學(xué)脫籠”策略是一類適用性廣、干擾度低的蛋白質(zhì)激活方法，通過對酶的關(guān)鍵催化殘基的保護和脫保護，可以實現(xiàn)對其活性的“關(guān)－開”調(diào)控。陳鵬課題組先后在賴氨酸、酪氨酸等活性氨基酸側(cè)鏈上實現(xiàn)了生物正交斷鍵反應(yīng)和脫籠，在活細胞及活體動物內(nèi)實現(xiàn)了蛋白激酶等多種蛋白質(zhì)的特異激活。

然而，受限于可以進行脫籠反應(yīng)的非天然氨基酸類型，上述基于催化殘基的“直接脫籠“策略只能在某些特定蛋白家族中應(yīng)用。如何進一步發(fā)展廣泛適用于不同類型蛋白家族的原位激活方法，在活體環(huán)境內(nèi)研究蛋白質(zhì)動態(tài)功能變化，是眾多化學(xué)生物學(xué)研究者力圖實現(xiàn)的重要目標。

2019年，陳鵬課題組與王初課題組合作，利用紫外光控的生物正交剪切反應(yīng)為活細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)安裝了功能開關(guān)。這一被稱為蛋白質(zhì)“鄰近脫籠”（CAGE-Prox）的策略具有很強的普適性，實現(xiàn)了活細胞內(nèi)各種酶家族蛋白質(zhì)的瞬時激活（Nature. 2019, 569, 5095）。

最新的“脫籠”策略有哪些改進？

在《細胞》發(fā)表的工作中，作者結(jié)合逆電子需求Diels-Alder反應(yīng)（IEDDA），將其應(yīng)用于反式環(huán)辛烯-酪氨酸（TCOY）的保護和脫保護，并通過蛋白語言模型訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)算法，捕捉序列特征與蛋白質(zhì)功能之間的相關(guān)性，輔以Rosetta軟件對接模擬酶和底物的相互作用，從而提高了tRNA合成酶（PylRS）變體選擇的成功率，最終實現(xiàn)了TCOY的識別和編碼表達。

這一“化學(xué)開關(guān)”的引入，能夠暫時關(guān)閉目標蛋白質(zhì)的功能，并可通過小分子誘導(dǎo)的生物正交剪切反應(yīng)在體內(nèi)原位恢復(fù)，實現(xiàn)可控激活，獲得了適用于活體動物的通用蛋白質(zhì)激活策略（CAGE-Proxvivo）。

機器學(xué)習(xí)驅(qū)動的蛋白質(zhì)活體激活策略：通過蛋白語言模型訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)算法，設(shè)計和篩選tRNA合成酶（PylRS）變體，實現(xiàn)了可化學(xué)脫籠的反式環(huán)辛烯-酪氨酸（TCOY）的識別和編碼表達，用于后續(xù)在體蛋白質(zhì)功能激活和互作調(diào)控

新的“脫籠”策略能做啥？

在建立CAGE-Proxvivo標準流程后，作者將其應(yīng)用于蛋白質(zhì)靶向遞送與激活治療。作者巧妙地設(shè)計了靶向遞送與化學(xué)激活的雙重控制，構(gòu)建了“蛋白質(zhì)前藥”系統(tǒng)，利用靶向遞送，實現(xiàn)了炭疽致死因子（Lethal factor）的可控、原位激活，有效抑制了實體腫瘤的生長。

在此基礎(chǔ)上，作者通過CAGE-Proxvivo策略成功實現(xiàn)了細胞焦亡（pyroptosis）在腫瘤內(nèi)部的可控-特異誘導(dǎo)。細胞焦亡作為一種由Caspase介導(dǎo)的炎癥性細胞死亡方式，因其激活免疫應(yīng)答的潛力而備受關(guān)注。盡管傳統(tǒng)化療藥物能誘導(dǎo)細胞焦亡，但鑒于GSDME在許多腫瘤細胞中的低表達，腫瘤特異性誘導(dǎo)焦亡仍面臨重要挑戰(zhàn)。CAGE-Proxvivo技術(shù)則在小鼠肺癌細胞中引發(fā)了Caspase-3依賴性GSDME切割，誘導(dǎo)細胞焦亡，觸發(fā)免疫殺傷，有效抑制了繼發(fā)腫瘤的生長。作者進一步擴大了該策略的應(yīng)用范圍，在多種腫瘤細胞中展示了細胞焦亡介導(dǎo)的免疫治療潛力。

此外，作者通過改進計算建模流程，將“化學(xué)開關(guān)”從酶活口袋拓展至蛋白質(zhì)到互作界面，實現(xiàn)了蛋白–蛋白相互作用的精確調(diào)控，并開發(fā)了生物正交“門控”雙特異性抗體，用于腫瘤免疫治療。在該應(yīng)用中，作者通過遺傳編碼將TCOY引入抗CD3抗體（aCD3），并將其與腫瘤靶向模塊結(jié)合，構(gòu)建了具有條件性激活能力的“開關(guān)”型T細胞接合器（T cell engager, TCE）。隨后通過活體生物正交剪切技術(shù)恢復(fù)T細胞活性，精確激活腫瘤部位的T細胞，有效避免了系統(tǒng)性細胞因子釋放綜合征（CRS）及其引發(fā)的毒性反應(yīng)，提高了治療安全性，為在實體瘤的免疫治療中，將免疫原性低的“冷”腫瘤轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙庖咴缘摹盁帷蹦[瘤提供了新的途徑。

CAGE-Proxvivo蛋白質(zhì)活體原位激活通用平臺應(yīng)用：在活體動物中按需激活蛋白質(zhì)功能；調(diào)節(jié)細胞表型，誘導(dǎo)腫瘤細胞發(fā)生焦亡，增強抗腫瘤免疫反應(yīng)；精確調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，實現(xiàn)生物正交“門控”雙特異性抗體，用于按需招募和激活T細胞

除TCOY外，作者基于統(tǒng)一的機器學(xué)習(xí)模型成功進化出可識別反式環(huán)辛烯-半胱氨酸（TCOC）的PylRS變體，并通過CAGE-Proxvivo策略實現(xiàn)了半胱氨酸的可控化學(xué)遮蔽以及活體內(nèi)蛋白功能的精準調(diào)控。該研究進一步展示了結(jié)合蛋白質(zhì)語言模型與結(jié)構(gòu)建模特征的混合策略在底物譜拓展中的有效性和普適性，有望實現(xiàn)更多天然氨基酸的遮蔽-脫籠，為活體內(nèi)生物大分子功能和生命過程的精準操控建立通用平臺。

機器學(xué)習(xí)模型成功進化出可識別反式環(huán)辛烯-半胱氨酸（TCOC）的PylRS變體，并通過CAGE-Proxvivo策略實現(xiàn)了半胱氨酸的可控化學(xué)遮蔽以及活體內(nèi)蛋白功能的精準調(diào)控

陳鵬、王初為本文的共同通訊作者。北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院已畢業(yè)博士研究生汪欣（現(xiàn)深圳灣實驗室博士后）、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院副研究員劉源為本文的共同第一作者。

本工作獲得科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京分子科學(xué)國家研究中心、新基石基金會和北京大學(xué)AI4S等項目的支持。

（來源：北京大學(xué) 版權(quán)屬原作者 謹致謝意）