自然发生的DNA-蛋白质融合分子

研究人员在一项新研究中报告说，由于一个偶然的发现，科学家们现在可以构建DNA-多肽的生物融合分子，将DNA的归巢能力与蛋白质的广泛功能结合起来，并且不必一个一个地合成它们。利用自然发生的过程，实验室可以利用细菌现有的分子构建能力来产生大量潜在治疗性DNA-蛋白质融合分子库。

自然界中主要的生物聚合物是寡核苷酸和多肽。然而，自然发生的肽-碱基融合是罕见的。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究团队报告了一类具有pyrimidone motif的肽-碱基融合天然产物，这些产物来自广泛分布的核糖体合成和翻译后修饰(RiPP)生物合成途径。该途径具有两个步骤，即异聚RRE–YcaO–脱氢酶复合物催化前体肽上的天冬酰胺残基形成六元吡啶酮（pyrimidone）环，酰基酯酶选择性地识别该片段以切割C末端跟随肽。机理研究表明，吡啶酮的形成是以底物辅助催化的方式发生的，需要前体中的His残基激活天冬酰胺进行杂环化。研究扩大了RiPP天然产物的化学型和YcaO酶的催化范围。这一发现为创造类似于肽-碱基生物融合分子开辟了道路。研究结果发表在《Nature Chemical Biology》杂志上。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校生物化学教授Satish Nair说:“生物学中最常见的两种构建模块是核酸(用于制造RNA和DNA)和氨基酸(构成蛋白质)。”Satish Nair与博士后研究员Zeng-Fei Pei共同领导了这项研究。“我们有这两组生物分子，它们的作用非常不同，几十年来，化学家们一直试图将它们融合到同一个分子中。如果你能制造出一种复杂的蛋白质，然后把核酸放在上面，让它准确地到达你想要的地方，因为它会与DNA或RNA的特定区域结合，你就能制造出一种精准药物。”这些药物可以用来中断细胞中各种促进疾病的过程，例如阻断突变基因的转录，或者结合致病性非编码RNA分子来阻止它们的活性。

最初的发现纯属偶然。Satish Nair和他的同事们一直在寻找与金属结合的蛋白质，当他们注意到英国诺维奇的John Innes中心的一个团队报告了一种细菌产生的有趣分子，这种分子似乎是DNA-蛋白质的融合子。伊利诺伊大学的研究小组联系了John Innes中心的科学家，建议他们重新检查这种分子，以确定它是否真的像表面上看起来的那样。一旦最初的发现得到证实，美国和英国科学家合作进行了更深入的分析，以发现形成这种融合分子形成机制。

Satish Nair说，找到一种天然存在的DNA-蛋白质融合体，并确定如何诱导细菌制造这种融合体，将使目前缓慢、劳动密集型的过程变得更加简单。“世界上许多高水平的实验室一直在使用各种合成化学方法来制造生物融合分子，这很好:它们都是概念验证，而且是有效的。”“问题是你不能大规模地这么做。你不能制造1亿种化合物，因为那需要你进行1亿次化学合成。”

在一系列的实验中，Satish Nair和他的同事发现，两种细菌酶一起将某些肽转化为DNA-蛋白质融合体。第一种酶YcaO修饰肽中的氨基酸，将肽转化为类似碱基的环状结构，使DNA和RNA能够与其他DNA或RNA分子配对。第二种酶是一种蛋白酶，它切断新修饰分子的一部分，将其转化为功能齐全的碱基-蛋白质杂合子。该团队仅通过添加三种成分就能在试管中进行转化:原始肽和两种酶。但他们也证明了这个过程可以由大肠杆菌来完成。

Nair说，了解这一过程将使实验室能够创造出能够附着在基因组的任何区域或细胞中的任何RNA分子上的融合分子。利用细菌来简化管道将加快发现的进程。“现在，我们要开始比赛了，”他说。