酶工程：选择性破坏致病蛋白的新方法

长期以来，科学家们一直在努力寻找缺乏明确结构的蛋白质，这些蛋白质与癌症、帕金森病等神经退行性疾病和其他严重疾病有关。现在，斯克里普斯研究所的一项新研究证明了一种新策略的概念证明：工程蛋白酶——在特定位点切割蛋白质的酶——在人类细胞的蛋白质组中以高精度选择性降解这些难以捉摸的靶标

该研究于2025年3月24日发表在《美国国家科学院院刊》上，展示了如何对肉毒杆菌毒素中的蛋白酶进行重新编程，以靶向α-Synuclein——一种具有非结构化区域的蛋白质，此处用作模型。这项研究标志着一种更广泛的方法的一个证明点，这种方法可以应用于蛋白质组中的广泛靶标

“这项工作强调了我们如何利用实验室进化的力量来设计蛋白酶，为治疗难以靶向的蛋白质引起的疾病提供了一种新的方法，”资深作者、斯克里普斯研究所总裁兼首席执行官Pete Schultz说，他还担任L.S.“Sam”Skaggs总统主席。“这是朝着为缺乏有效治疗的疾病开发新的治疗策略迈出的令人兴奋的一步。”

这项研究建立在肉毒杆菌毒素的基础上，肉毒杆菌毒素是一种细菌蛋白，最出名的是用于肉毒杆菌毒素，一种用于美容目的和某些医疗条件的药物。这种毒素天然含有蛋白酶。在其原始形式中，蛋白酶仅靶向SNAP-25——一种在神经细胞之间传递信号所必需的蛋白质。通过降解SNAP-25，肉毒杆菌毒素会破坏神经信号传导，导致肉毒杆菌毒素治疗后出现暂时性瘫痪效应

为了重新编程α-Synuclein的这种精度，研究小组使用定向进化对酶进行了修改，这是一种实验室过程，涉及在多个周期内引入突变和选择功能得到改善的变体。结果：蛋白酶5。然而，挑战不仅仅是重新编程蛋白酶以靶向α-Synuclein，还要确保它只攻击α-Synoclein而不攻击其他任何东西。过去为治疗用途进化蛋白酶的尝试导致酶靶向范围太广的蛋白质，切割多个意外分子并在细胞中引起毒性

Scripps Research的博士后研究员、第一作者Philipp Sondermann说：“α-突触核蛋白是一种非常难靶向的蛋白质，因为它没有稳定的结构。”。“大多数药物通过锁定结构化蛋白质起作用，但α-Synuclein更像是一种移动的缠结。”

尽管α-Synuclein在帕金森病和相关疾病中起着核心作用，但在这项研究中，它被用作代表更广泛类别的模型蛋白，即内在紊乱蛋白（IDPs），这些蛋白缺乏明确的形状，并且众所周知难以用药物靶向。这种不稳定性使得这种疾病难以治疗，因为传统疗法通常通过附着在蛋白质上的稳定口袋上来起作用，就像锁里的钥匙一样

然而，α-Synuclein没有这样的结合位点，几乎没有可行的治疗选择。“这就是蛋白酶发挥作用的地方，”Sondermann说。“它们不需要特定的结合位点，而是可以被设计成直接识别和切割α-Synuclein，防止它在大脑中危险地积聚。”

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利用定向进化，该团队逐步修改了肉毒杆菌蛋白酶，选择了对α-Synuclein表现出越来越偏好的变体。Sondermann解释说：“定向进化就像选择性育种一样——就像农民培育植物以获得更好的作物一样，科学家引导蛋白质进行许多小的变化，在每一步都选择最佳版本。”

“每一轮的修饰都使酶更加专业化，”他说，“直到它能够选择性地降解α-Synuclein，同时不影响其他蛋白质。”

在人体细胞中进行测试时，蛋白酶5几乎消除了所有α-Synoclein蛋白质，这表明它可以帮助预防帕金森病中出现的有害积聚。由于该酶被设计为精确靶向α-突触核蛋白，因此不会引起毒性或破坏基本的细胞功能

虽然斯克里普斯研究所的研究是一个重要的概念证明，提供了这种蛋白酶策略有朝一日可能成为一种有效治疗方法的早期证据，但在开发出可行的治疗方法之前，仍有一些障碍需要克服。最大的挑战包括将蛋白酶5运输到大脑——因为大型蛋白质难以穿过血脑屏障——并确保它不会引发免疫反应

然而肉毒杆菌毒素本身也有一些优势。除了其精确性外，它还具有进入神经元的天然能力，并且由于肉毒杆菌毒素治疗中使用的毒素是免疫系统耐受的，因此它可能不会以治疗帕金森病的改良形式被排斥

Sondermann指出：“肉毒杆菌毒素已经使用了几十年，免疫反应很小，这使其成为治疗酶的有前景的起点。”

下一步将是制定策略，将进化的蛋白酶输送到感兴趣的靶组织。与此同时，该实验室目前正在将这里开发的方法应用于癌症关键蛋白的降解，包括c-Myc和K-Ras

舒尔茨说：“这仅仅是个开始。”。“通过开发高度选择性的基于蛋白酶的疗法，我们希望创建一个针对致病蛋白质引起的各种疾病的平台。”

除了Schultz和Sondermann之外，该研究的作者“使用进化的肉毒杆菌毒素蛋白酶靶向降解α-Synuclein”包括斯克里普斯研究所的Christian Diercks和Cynthia Rong More information: Philipp Sondermann et al, Targeted degradation of α-Synuclein using an evolved botulinum toxin protease, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2426745122

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences