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細(xì)胞穿透環(huán)肽
瀏覽量:384 | 2024/6/4 15:27:27


摘 要: 細(xì)胞穿透環(huán)肽能夠穿透細(xì)胞膜,特異性地靶向細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo),并具有較好的體內(nèi)穩(wěn)定性,因而具備很好的成藥性,并受到研究者越來越多的關(guān)注。目前,主要有兩種方式獲得細(xì)胞穿透環(huán)肽,即從天然產(chǎn)物中獲得和對(duì)已有的環(huán)肽或線性肽進(jìn)行化學(xué)修飾。本文主要對(duì)上述兩方面進(jìn)行簡要綜述,重點(diǎn)介紹兩類細(xì)胞穿透環(huán)肽天然產(chǎn)物以及通過化學(xué)修飾方法得到細(xì)胞穿透環(huán)肽的策略,并探討細(xì)胞穿透環(huán)肽的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系及其細(xì)胞穿透機(jī)理。


多肽類藥物是新興的生物藥物研發(fā)熱門領(lǐng)域,全世界已經(jīng)獲批上市的多肽類藥物超過 50 個(gè)。與小分子藥物比較[1,2],多肽類藥物具有結(jié)合面更大、作用靶向性更強(qiáng)、更安全、副作用更小、很少引起嚴(yán)重的免疫反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[3,4],已經(jīng)廣泛應(yīng)用于癌癥、心血管病、代謝類和傳染性病等各類疾病的治療。


但是,常見的多肽分子存在無法跨越細(xì)胞膜,酶解穩(wěn)定性差和口服生物利用度低等問題[5],導(dǎo)致大多數(shù)具有治療作用的多肽藥物很難進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮藥效,且容易在體內(nèi)降解[6],因此,多肽藥物在實(shí)際應(yīng)用中受到了極大的限制。為了克服多肽藥物存在的問題,人們發(fā)現(xiàn)并發(fā)展了一類細(xì)胞穿透環(huán)肽分子,它們具有穿過細(xì)胞膜的能力,并能特異性地靶向細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo),體內(nèi)穩(wěn)定性高,口服生物利用度好,更具成藥前景。另一方面,蛋白化學(xué)合成領(lǐng)域取得的一系列重要進(jìn)展[7 ~ 15],促進(jìn)研究者發(fā)展了一系列化學(xué)合成環(huán)肽的方法[16 ~ 20],為研究和改造環(huán)肽從而得到細(xì)胞穿透環(huán)肽奠定了技術(shù)基礎(chǔ),有效解決了細(xì)胞穿透環(huán)肽分子的獲取問題。


本文重點(diǎn)介紹目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞穿透環(huán)肽及其透膜機(jī)理,同時(shí)也簡述各種獲得細(xì)胞穿透環(huán)肽的化學(xué)修飾策略,最后討論該領(lǐng)域存在的問題,并展望細(xì)胞穿透環(huán)肽的應(yīng)用前景。


2 天然產(chǎn)物中的細(xì)胞穿透環(huán)肽


環(huán)肽是自然界中一類廣泛存在的天然產(chǎn)物,可以通過核糖體或非核糖體途徑合成,具有抗菌、鎮(zhèn)痛、抗腫瘤、抗免疫等生理作用。其中,某些環(huán)肽具有穿透細(xì)胞膜的能力,即本文所述的細(xì)胞穿透環(huán)肽環(huán)孢素( cyclosporine A)和植物環(huán)肽( cyclotides)。


2. 1 環(huán)孢素及透膜機(jī)理
環(huán)十一肽 cyclosporine A(CSA)環(huán)肽是一種用于移植手術(shù)后的抗免疫治療藥物。CSA 于 1969 年在真菌 Tolypocladium inflatum 中被發(fā)現(xiàn),通過非核糖體途徑合成[21],含有一個(gè) D 型丙氨酸和一個(gè)非天然氨基酸,并且在多肽骨架上含有 7 個(gè) N-甲基化的氨基酸殘基( 圖 1A)。CSA 可以穿透淋巴細(xì)胞膜,與淋巴細(xì)胞內(nèi)的親環(huán)素( cyclophilin) 結(jié)合[22],通過抑制鈣調(diào)磷酸酶( calcineurin) 的活性,使淋巴細(xì)胞的白細(xì)胞介素 2 ( IL-2) 分泌量減少,從而抑制 T 細(xì)胞的激活,起到抑制免疫的作用。研究者解析了 CSA的晶體結(jié)構(gòu)[23,24],并用二維 核 磁 共 振 研 究 了 CSA在極性和非極性溶劑環(huán)境下的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)[24 ~ 27] ( 圖1B)。實(shí)驗(yàn)表明,CSA 在非極性溶劑和晶體結(jié)構(gòu)中形成三對(duì)分子內(nèi)氫鍵,同時(shí),由于有 7 個(gè)環(huán)肽骨架上的 N 甲基化,所以在這種構(gòu)象下 CSA 的所有氫鍵給體都被鎖定或掩蔽,有利于其在非極性環(huán)境下的溶解,降低其在細(xì)胞膜中的吉布斯自由能。

2. 2 植物環(huán)肽及透膜機(jī)理
植物環(huán)肽也是一類具有重要藥物價(jià)值的環(huán)肽分子。植物環(huán)肽通過核糖體途徑合成,氨基酸殘基數(shù)一般在 28 ~ 37,是來源于植物的天然產(chǎn)物[35]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)植物環(huán)肽具有很多生物活性,比如抗細(xì)菌、抗蟲、抗病毒、蛋白酶抑制劑等[29 ~ 31]。植物環(huán)肽主要分為兩類: “莫比烏斯型”( the Mbius cyclotides)和“手鐲型”( the bracelet cyclotides)。還存在名為胰蛋白酶抑制劑的第 3 亞類,這類植物環(huán)肽僅包括MCoTI-Ⅰ和 MCoTI-Ⅱ 兩個(gè)環(huán)肽。不同類型的植物環(huán)肽都具有類似的結(jié)構(gòu)(圖 2),多肽鏈 N 端和 C 端由酰胺鍵環(huán)合,6 個(gè)半胱氨酸形成 3 對(duì)二硫鍵,其中 對(duì)二硫鍵從另外兩對(duì)的中間穿過,形成環(huán)胱氨酸節(jié)( cyclic cystine knot,CCK) 的結(jié) 構(gòu)。特 殊 的 CCK結(jié)構(gòu)使得植物環(huán)肽的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和酶穩(wěn)定性很高,即便經(jīng)過煮沸也仍然具備很高的生物活性[32]。植物環(huán)肽包含 6 個(gè)環(huán)域( loop),其中某些環(huán)域是可變的,故而可以在植物環(huán)肽上嫁接具有生理活性的多肽片段,利用植物環(huán)肽在體內(nèi)的穩(wěn)定性和較好的生物利用度,提高多肽片段在體內(nèi)的穩(wěn)定性和存留時(shí)間[33]。

Craik 等首次報(bào)道了可以穿過細(xì)胞膜的植物環(huán)肽 MCoTI-Ⅱ, 其 可 以 通 過 大 胞 飲 作 用(macropinocytosis) 被 細(xì) 胞 攝 。34]。此 后,Camarero等在活細(xì)胞水平上證實(shí)了 MCoTI-Ⅰ也可以穿過細(xì)胞膜[35]。除 MCoTI-Ⅱ、MCoTI-Ⅰ外,Craik 等發(fā)現(xiàn)植物環(huán)肽 kalata B1 和 另 一 種 存 在 于 植 物 中 的 環(huán) 肽STFI-1 都可以穿過細(xì)胞膜[36]。

研究表明,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的植物環(huán)肽來源的 4 個(gè)細(xì)胞穿透環(huán)肽的跨膜機(jī)理各不相同。MCoTI-Ⅱ通過細(xì)胞主動(dòng)攝取的方式進(jìn)入細(xì)胞。熒光成像跟蹤技術(shù)表明,MCoTI-Ⅱ出現(xiàn)在吞噬小體中,并且細(xì)胞攝取過程對(duì)溫度敏感,說明 MCoTI-Ⅱ 的跨膜過 程 是 主 動(dòng) 過程,需要消耗能量[36]。MCoTI-Ⅰ的跨膜機(jī)理則較為復(fù)雜,是流體相內(nèi)吞作用( fluid-phase endocytosis)、依賴脂質(zhì)的內(nèi)吞作用和網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用等共同作用的結(jié)果[35]。而植物環(huán)肽 kalata B1 有細(xì)胞毒性,超過一定濃度時(shí)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂,引起細(xì)胞死 亡。實(shí) 驗(yàn) 發(fā) 現(xiàn),kalata B1 和 磷 脂 酰 乙 醇 胺( POPE ) 有 相 互 作 用,可 以 引 起 POPE 外 翻( transbilayer movement),從而導(dǎo)致細(xì)胞膜兩側(cè)的不對(duì)稱。Craik 等猜測 kalata B1 通過與細(xì)胞膜的相互作用,改變細(xì)胞膜的曲率,從而引起細(xì)胞的內(nèi)吞作用[36]。另一方面,kalata B1 與細(xì)胞膜的親和性與脂筏相關(guān),帶負(fù)電的膽堿并不是細(xì)胞膜與 kalata B1 發(fā)生強(qiáng)相互作用的原因[37]。


植物環(huán)肽細(xì)胞穿透過程的研究還處于較初級(jí)的階段。一方面,其結(jié)構(gòu)在跨膜過程中的作用還不夠明確。在研究植物環(huán)肽的跨膜過程時(shí),實(shí)驗(yàn)條件的差異會(huì)導(dǎo)致不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比如實(shí)驗(yàn)中選擇的細(xì)胞系對(duì)內(nèi)吞方式的偏好程度不同、所用植物環(huán)肽的濃度不同等,都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。同時(shí),當(dāng)前只能通過改變殘基的方式來探究各個(gè)位點(diǎn)對(duì)整個(gè)跨膜過程的貢獻(xiàn),還無法實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)肽的構(gòu)象變化對(duì)跨膜過程的影響。另外,對(duì)跨膜過程中的細(xì)胞吞噬行為的理解十分有限。除對(duì)網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的吞噬作用和細(xì)胞膜窩樣內(nèi)陷( caveolae) 介導(dǎo)的吞噬作用理解較多外,生物學(xué)家對(duì)其他類型的細(xì)胞內(nèi)吞行為的理解并不深入。這也阻礙了研究者對(duì)植物環(huán)肽跨膜過程的進(jìn)一步理解。因此,發(fā)展新型技術(shù)研究植物環(huán)肽跨膜特性的結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系仍是一個(gè)尚待解決的科學(xué)問題。


3 人工改造的細(xì)胞穿透環(huán)肽


細(xì)胞穿透環(huán)肽具有很好的成藥前景,這促使研究者利用化學(xué)合成手段對(duì)多肽分子進(jìn)行改造,以期獲得兼具強(qiáng)生理活性和跨膜能力的環(huán)肽分子,甚至環(huán)肽庫。下面將從 CSA 的改造、植物環(huán)肽的改造和線性肽環(huán)化等三方面策略進(jìn)行介紹。


3. 1 基于 CSA 的改造策略

基于 CSA 的細(xì)胞穿透環(huán)肽的設(shè)計(jì)思路包括調(diào)節(jié)環(huán)肽的構(gòu)象和多肽骨架酰胺 N-甲基化兩方面。


3. 1. 1 環(huán)肽構(gòu)象與跨膜能力
受到 CSA 在極性和非極性溶劑中構(gòu)象變化的啟發(fā),研究者開始關(guān)注多肽構(gòu)象與分子跨膜能力之間的 關(guān) 系[38 ~ 40]。Lokey 等 系 統(tǒng) 地 研 究 了 環(huán) 六 肽Leu-Leu-Leu-Leu-Pro-Tyr 的不同非對(duì)映異構(gòu)體的構(gòu)象和 跨 膜 能 力 之 間 的 關(guān) 系[41] ( 圖 3 )。實(shí) 驗(yàn) 使 用CDCl3 模擬細(xì)胞膜環(huán)境來研究環(huán)六肽在細(xì)胞膜中的動(dòng)態(tài)構(gòu) 象。H /D 交 換 實(shí) 驗(yàn) 則 用 于 研 究 酰 胺 鍵 上N—H 鍵 在 溶 劑 中 的 暴 露 程 度。實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明,N—H鍵的溶劑可及性( solvent accessibility) 與環(huán)肽跨膜能力間具有相關(guān)性,溶劑可及性較低的分子跨膜能力更強(qiáng)。

為了更加定量地研究并預(yù)測環(huán)肽被動(dòng)擴(kuò)散跨膜的能力,Lokey 和 Jacobson 等提出了一種新的預(yù)測方法[42]。假設(shè)環(huán)肽在細(xì)胞膜中的構(gòu)象(低介電環(huán)境構(gòu)象 low-dielectric conformation,LDC) 只有一種,他們指出,經(jīng)典的擴(kuò)散模型 Pe = KpD / d 中的 Kp應(yīng)理解為 LDC 在細(xì)胞膜和水相中的分配系數(shù),而不是通常實(shí)驗(yàn)所測得的所有構(gòu)象下的平均值。他們提出,可以通過分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到 ΔGI ( 利用公式 ΔGI =- RTlnKp ),從而可以理論計(jì)算出滲透率。他們指出,這個(gè)模型的預(yù)測能力比預(yù)測氫鍵數(shù)目和預(yù)測極性表面積更加準(zhǔn)確。盡管他們計(jì)算出的 ΔGI和實(shí)驗(yàn)測得的 lnPe呈線性關(guān)系,但比例系數(shù)卻并不一致,因?yàn)橛?jì)算中沒有考慮熵效應(yīng);另外,環(huán)肽分子尺寸和形狀等因素也沒有考慮在內(nèi),并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量很小,其模型的正確性還有待檢驗(yàn)。


對(duì)經(jīng)被動(dòng)擴(kuò)散跨膜的環(huán)肽而言,預(yù)測并通過化學(xué)修飾的方法改變 LDC 構(gòu)象,從而減小環(huán)肽從水相向細(xì)胞膜遷移中的吉布斯自由能變是研究的關(guān)鍵點(diǎn)。所以,認(rèn)識(shí)化學(xué)修飾對(duì)環(huán)肽構(gòu)象的影響是其中重要的科學(xué)問題。然而,在現(xiàn)有的被動(dòng)擴(kuò)散跨膜的環(huán)肽實(shí)例中,其殘基基本都是不帶電荷并且是非極性的,說明這種跨膜策略對(duì)氨基酸殘基的要求較高,對(duì)極性和帶電荷的殘基的容忍度較低。針對(duì)這個(gè)問題,可以適當(dāng)引入容忍度較大的非天然氨基酸以提高被動(dòng)擴(kuò)散策略下環(huán)肽的多樣性;另一方面,可以利用細(xì)胞內(nèi)外 pH 或酶活性的差異,設(shè)計(jì) pH 響應(yīng)或酶響應(yīng)殘基,在細(xì)胞外其極性被掩蔽,在細(xì)胞內(nèi)去掩蔽,激活環(huán)肽的正常生理活性。


3. 1. 2 N-甲基化與跨膜能力

除了多肽構(gòu)象變化對(duì)跨膜能力有貢獻(xiàn),多肽骨架的酰胺 N-甲基化對(duì)跨膜能力也有影響。骨架酰胺 N-甲基化修飾在天然產(chǎn)物中很常見。在特定位置引入 N-甲基可以增強(qiáng)多肽與受體間的相互作用、增強(qiáng)多 肽 對(duì) 靶 標(biāo) 的 選 擇 性 或 改 變 蛋 白 的 聚 集 行為[43 ~ 45]。


按 照 此 思 路,Kessler 等 為 改 善 VeberHirschmann 環(huán)六肽( cyclo ( -PFwKTF-) ) 的口服生物利用度,系統(tǒng)地研究了 N-甲基化在其中的作用[46](圖 4)。他們發(fā)現(xiàn),在特定位置引入 N-甲基后,環(huán)肽 分 子 的 口 服 生 物 利 用 度 從 無 法 檢 出 提 高 到9. 9% 。其原因是 N-甲基化增加了環(huán)肽分子的脂溶性,使其更容易穿過細(xì)胞膜。之后,Kessler 等又報(bào)道了生長激素抑制劑類似物 MK678 的 N-甲基可以提高口服活性,并暗示該結(jié)果可能由 N-甲基化增強(qiáng)環(huán)肽跨膜能力造成[47]。他們用分子模擬的方法發(fā)現(xiàn)口服活性最高的分子在水相中的構(gòu)象與 CSA 很相像。但此后,Kessler 和 Hoffman 等發(fā)現(xiàn)甲基化目與跨膜能力之間沒有必然聯(lián)系[48]。

Jacobson 和 Lokey 等進(jìn)一步系統(tǒng)地研究了 N-甲基化對(duì)環(huán)肽構(gòu)象和跨膜能力的影響[49] ( 圖 5 )。他們研究了環(huán)六肽 Leu-Leu-Leu-Leu-Pro-Tyr 的不同非對(duì)映異構(gòu)體在樹脂上的甲基化反應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn),一定條件下,掛在樹脂上的其中 6 個(gè)構(gòu)型的環(huán)六肽的甲基化反應(yīng)具有區(qū)域選擇性(選擇性大于 95% )。在具有區(qū)域選擇性的環(huán)肽進(jìn)行 H /D 交換實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),未甲基化的環(huán)肽分子的所有 N—H 暴露在溶液中;而部分甲基化的衍生物 中 未 發(fā) 生 N-甲 基 化 的N—H 并不暴露在溶液中。他們指出,上述區(qū)域選擇性可能來源于產(chǎn)物分子的游離 N—H 被位阻或分子內(nèi)氫鍵限制,無法繼續(xù)甲基化。實(shí)驗(yàn)表明,部分甲基化的多肽的跨膜能力更強(qiáng)。他們通過理論計(jì)算指出,區(qū)域選擇性甲基化產(chǎn)物是所有衍生物中跨膜能力最強(qiáng)的,因而在極性較低的溶劑環(huán)境中所進(jìn)行的甲基化反應(yīng)有利于生成跨膜能力最強(qiáng)的衍生物。但這一甲基化方法卻無法得到其他構(gòu)型的最優(yōu)甲基化位點(diǎn),也就是說,該甲基化策略下的區(qū)域選擇性是其穿透細(xì)胞膜的充分不必要條件。他們也發(fā)現(xiàn),將其1、3、4 位的亮氨酸分別改為絲氨酸后,其跨膜能力大幅下降,說明 N-甲基化策略只適用于某些氨基酸殘基。有意思的是,他們指出,在該實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的甲基化 位 點(diǎn) 與 前 述 Kessler 等 針 對(duì) Veber-Hirschmann所得到的甲基化位點(diǎn)[46]一致,他們猜測其中的 β-轉(zhuǎn)角(β-turn)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)了跨環(huán)分子內(nèi)氫鍵的形成。

以上工作表明,N-甲基化可以通過改變環(huán)肽在水相中的構(gòu)象來提高其跨膜能力。在前人工作的基礎(chǔ)上,Kessler 等系統(tǒng)地研究了 N-甲基化對(duì)環(huán)肽構(gòu)象的影響[50]。他們選擇環(huán)六肽 cyclo( -D-Ala-Ala5 -) 作為研究對(duì)象,分析不同 N-甲基化衍生物在水相中的二維核磁結(jié)構(gòu)。他們認(rèn)為 N-甲基化會(huì)從以下三方面影響環(huán)肽 β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的形成,從而導(dǎo)致跨環(huán)分子內(nèi)氫鍵的出現(xiàn): ( 1 ) 肽鍵的順、反式; ( 2 ) 對(duì)骨架上N—H 氫鍵的掩蔽作用;(3 ) 扭曲環(huán)肽原本的結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)中所得到的一些典型的 β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)在前人 發(fā) 現(xiàn) 的 N-甲 基 化 細(xì) 胞 穿 透 環(huán) 肽 中 有 對(duì) 應(yīng)物[22,4 6 ,47]。另外,他們指出某些結(jié)構(gòu)特殊的氨基酸可以起到在環(huán)肽中引入 N-甲基化或 D-型構(gòu)象的作用,例如 α-N 甲基化的脯氨酸和具有對(duì)稱性的甘氨酸。


以上這些發(fā)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞穿透環(huán)肽的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用,但是其中仍存在一些問題。比如,研究系統(tǒng)多是環(huán)六肽,所以無法知曉當(dāng)環(huán)增大后,跨環(huán)氫鍵與 N-甲基化之間具有怎樣的協(xié)同或其他相互影響。同時(shí),其他位置 N-甲基化對(duì) β-轉(zhuǎn)角的形成有怎樣的影響也不明了;同時(shí),環(huán)增大后,基于篩選的 N-甲基化策略將變得更為困難,因?yàn)樾枰铣傻难苌飻?shù)量呈指數(shù)上升。所以,需要發(fā)展可以快速得到大量細(xì)胞穿 透 環(huán) 肽 的 N-甲 基 化 修 飾 方 法。Jacobson 和Lokey 等[49]報(bào)道的選擇性甲基化的工作對(duì)此具有一定啟發(fā)性,但是距離目標(biāo)實(shí)現(xiàn)還有較大差距。


3. 2 基于植物環(huán)肽的改造策略
基于植物環(huán)肽的細(xì)胞穿透環(huán)肽的設(shè)計(jì)思路是將具有生物活性的多肽序列嫁接到植物環(huán)肽骨架上。起初,研究者將特殊活性序列嫁接到植物環(huán)肽上以期提高序列的體內(nèi)穩(wěn)定性。例如 Daly 等將 VEGF-A拮抗劑嫁接入 Kalata B[51]。之后,研究者發(fā)現(xiàn)嫁接多肽可以透過細(xì)胞膜并提高口服生物利用度[33]。利用 MCoTI-Ⅰ 的 跨 膜 特 性,Camarero 等 將 靶 向Hdm2 和 HdmX 的 α 螺旋序列插入 MCoTI-Ⅰ的 6 號(hào)環(huán)域,得到 MCo-PMI 嫁接肽(圖 6)。MCo-PMI 能夠抑制 Hdm2 和 HdmX 作用,激活抑癌因子 p53 的活性[52]。在小鼠模型上證實(shí),當(dāng)給藥量在 40 mg / kg時(shí),小鼠腫瘤增長顯著減緩。說明嫁接多肽 MCoPMI 確實(shí)可以穿過細(xì)胞膜,靶向胞內(nèi)的靶標(biāo)。

雖然目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些植物環(huán)肽可以通過細(xì)胞膜,并且其中的某些環(huán)肽如 MCoTI 和 Kalata B 作為多肽骨架被用于嫁接多肽的研究,但是由于植物環(huán)肽的跨膜方式多為細(xì)胞主動(dòng)攝取,需要消耗能量,并且過程復(fù)雜,機(jī)理不明。同時(shí),其過程不像被動(dòng)擴(kuò)散一樣廣泛存在于小分子藥中。因此,植物環(huán)肽跨膜效率仍不明確,對(duì)不同細(xì)胞的耐受度也不清楚。故而,需要進(jìn)一步搞清介導(dǎo)植物環(huán)肽跨膜的分子機(jī)制;同時(shí),還需要系統(tǒng)地研究可以進(jìn)入細(xì)胞膜的植物環(huán)肽在人體內(nèi)的藥代動(dòng)力學(xué),搞清其跨膜效率及在體內(nèi)的分布狀況。在對(duì)植物環(huán)肽的跨膜結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和藥代動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)深入后,可利用化學(xué)手段優(yōu)化環(huán)肽結(jié)構(gòu),使其在體內(nèi)的行為更符合成藥的要求。


3. 3 基于線性肽的改造策略

為使線性肽環(huán)化后得到環(huán)肽具有細(xì)胞穿透能力,通常使用的策略包括側(cè)鏈環(huán)化的“訂書肽”策略和在環(huán)肽中引入細(xì)胞穿透序列。


3. 3. 1 訂書肽
2000 年,Verdine 小 組 提 出 了 訂 書 肽 ( stapledpeptides)的概念(圖 7),即將 α 螺旋上兩個(gè)氨基酸殘基的側(cè)鏈用一定長度的碳?xì)滏溝噙B,從而有效穩(wěn)定線性肽的 α 螺旋結(jié)構(gòu)[53]。利用該技術(shù),該小組在2004 年報(bào)道了一條靶向 BCL-2 介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過程的訂書肽( stabilized alpha-helix of BCL-2 domains,SAHBs)[54]。他們發(fā)現(xiàn),該 SAHB 可以在流體相細(xì)胞內(nèi)吞介導(dǎo)下穿過 Jurkat 白血病細(xì)胞的細(xì)胞膜。之后研究者發(fā)現(xiàn)并研究了一系列可以通過細(xì)胞膜的訂書肽[55 ~ 58]。結(jié)合 N-甲基化增強(qiáng)跨膜能力的策略,Lin 等將 N-甲基化引入訂書肽中,進(jìn)一步提高了訂書肽的跨膜能力[59]。這里需要指出,訂書肽在水相中的結(jié)構(gòu)明確,適當(dāng)?shù)匾牖瘜W(xué)修飾不會(huì)劇烈地影響其結(jié)構(gòu),故而相比結(jié)構(gòu)多變的普通環(huán)肽,更容易在保持多肽原有活性基礎(chǔ)上,利用 N-甲基化等修飾化學(xué)方法提高其跨膜能力。

3. 3. 2 環(huán)化的細(xì)胞穿透肽

細(xì)胞穿透肽 ( cell penetrating peptides,CPP) 是一 類 能 夠 穿 過 細(xì) 胞 膜 的 線 性 肽,包 括 穿 膜 肽( penetratin )[60]、轉(zhuǎn) 錄 激 活 因 子 ( trans-activator oftranscription,Tat ) 片 段[61]、Pep-1[62]、多 精 氨 酸( polyarginines)[63] 等。CPP 可 以 通 過 細(xì) 胞 主 動(dòng) 攝取[64]或非能量依賴的轉(zhuǎn)運(yùn)過程[65,66]進(jìn)入細(xì)胞,并能將與之共價(jià)或非共價(jià)連接的蛋白或核酸運(yùn)入細(xì)胞。細(xì)胞穿透肽常帶有相當(dāng)多的精氨酸,表面帶正電,能夠與細(xì)胞膜表面的負(fù)電荷發(fā)生靜電作用,增強(qiáng)與細(xì)胞膜的相互作用。這類多精氨酸的 CPP ( arginine richpeptides,RRP) 通過與細(xì)胞膜相互作用使細(xì)胞膜變薄,產(chǎn)生瞬時(shí)孔從而穿過細(xì)胞膜。利用 CPP 能夠?qū)⑴c其共價(jià)連接的分子帶入細(xì)胞的特點(diǎn),Pei 等將 CPP共價(jià)地連接到環(huán)肽分子上,成功實(shí)現(xiàn)了環(huán)肽分子跨膜[67]。但是,直接修飾的 RRP 分子細(xì)胞穿透能力差,有時(shí)具有細(xì)胞毒性,引起細(xì)胞壞死[68 ~ 70]。


為提高 CPP 的跨膜效率,Herce 和 Cardoso 等將Tat 和多精氨酸進(jìn)行首尾環(huán)化,RRP 的環(huán)化使其與細(xì)胞膜結(jié)合時(shí)的熵減效應(yīng)降低,提高跨膜效率[71]。另外,環(huán) 化 后 胍 基 間 距 離 的 增 大 也 有 利 于 跨 膜。Parang 等提出另一種利用 CPP 的思路:具備兩親性且結(jié)構(gòu)剛性的環(huán)肽可能能夠通過細(xì)胞膜[72]。他們基于這一猜測進(jìn)行理性設(shè)計(jì)和篩選,發(fā)現(xiàn)環(huán)肽[TrpArg]4 (圖 8)和[Trp-Arg]5 有較高的跨膜效率,并顯示出 非 細(xì) 胞 內(nèi) 吞 依 賴 ( non-endocytosis ) 的 特 點(diǎn)。[Trp-Arg]4 不僅可以將共價(jià)連接的小分子藥物運(yùn)入細(xì)胞[73],還能與磷酸化線性肽形成復(fù)合物并將之送入膜內(nèi)[74]。

Pei 等還設(shè) 計(jì) 了 含 CPP 結(jié) 構(gòu) 單 元 的 環(huán) 肽 分 子(圖 9),即在環(huán)尺寸為 7 ~ 13 個(gè)殘基的環(huán)肽中引入一段 CPP 小片段幫助環(huán)肽進(jìn)入細(xì)胞[75]。在實(shí)驗(yàn)中,他們發(fā) 現(xiàn) 將 Phe-Φ-Arg4 ( 其 中 Φ 為 L-2-萘 基 丙 氨酸)插入殘基數(shù)為 7 ~ 13 的環(huán)肽后,環(huán)肽經(jīng)內(nèi)吞進(jìn)入細(xì)胞的能力增強(qiáng)。該序列甚至可以將難以跨膜的磷酸化氨基酸殘基帶入胞內(nèi)。

上述環(huán)化 CPP 的研究發(fā)現(xiàn),正電荷、環(huán)化和疏水氨基酸的引入都會(huì)增強(qiáng)環(huán)肽與細(xì)胞膜間的相互作用。其中,精氨酸和色氨酸在多肽與膜間的相互作用中具有重要作用[76](圖 10)。色氨酸的殘基具有π-電子共軛體系,可以與陽離子發(fā)生陽離子-π 相互作用,故而色氨酸一般處在水相與細(xì)胞膜之間的交界處,與磷脂分子帶正電荷的含氮堿基存在相互作用。精氨酸的胍基是雙齒氫鍵給體,可以與細(xì)胞膜表面的氫鍵受體形成雙重氫鍵,有效提高其與膜間的相互作用[77]。

4 結(jié)論


與普通線性多肽相比,細(xì)胞穿透環(huán)肽具有較好體內(nèi)穩(wěn)定性,并能夠穿過細(xì)胞膜而特異性結(jié)合細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo),具備很好的成藥性,因此細(xì)胞穿透環(huán)肽已經(jīng)成為當(dāng)前藥物研究的新熱點(diǎn)。本文從天然產(chǎn)物來源和人工改造來源兩方面綜述了細(xì)胞穿透環(huán)肽領(lǐng)域的研究進(jìn)展及發(fā)展前景。在化學(xué)合成獲得所需環(huán)肽分子的基礎(chǔ)上,我們?nèi)匀恍枰M(jìn)一步理解環(huán)肽分子的跨膜機(jī)理、環(huán)肽分子與受體或膜間相互作用的分子機(jī)制和具體過程,以設(shè)計(jì)、改造得到具有細(xì)胞穿透活性的環(huán)肽藥物。


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