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ChemBioChem:靶向溶酶体多肽可控组装用于细胞行为的精准调控2024-08-26
溶酶体是细胞内一种关键的膜结构细胞器,在降解和回收细胞废物、细胞信号传导及能量代谢过程中起着至关重要的作用。溶酶体内部环境的酸性特征是其功能的关键之一,pH值通常在4.5到5.0之间。同时,溶酶体还包含超过60种不同的水解酶。这些特性使得溶酶体能够有效地分解各类大分子,并提供理想的细胞内条件用于特定化学和生物过程,例如多肽的自组装。溶酶体内环境稳态的变化与多种疾病相关,如阿兹海默症和癌症等。因而,通过调控溶酶体内环境的稳态是一种潜在治疗疾病的策略。近几年的研究表明,控制溶酶体中多肽的自组装可以操纵细胞行为,并应用于治疗多种疾病。

自组装是一种分子通过非共价键自发组织形成有序结构的过程,这一过程在生物体中扮演着关键角色。在溶酶体的特定环境下,多肽可以通过以下几种策略实现自组装,以控制细胞行为:

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图1.溶酶体中控制多肽自组装的策略

一、使用溶酶体的酸性pH触发自组装

与细胞内其他细胞器和细胞质基质相比,溶酶体独有的酸性pH环境可以选择性诱导质子响应的多肽组装。在中性条件下,所设计的质子响应多肽溶解性较好,在低pH条件下,通过质子化特定的氨基酸侧链,多肽由高水溶性到低水溶性转变,同时分子组装的构型也发生变化,从而可以观察到溶液到组装体(如凝胶)的相变,相变形成的结构通过改变溶酶体膜的通透性来调节溶酶体内部的稳态环境,从而控制细胞行为。除此之外,通过多肽或其他类分子组装体系构建溶酶体内pH的控制器对疾病进程干预,蛋白降解调控等都具有很广的应用前景,期待可以很快见到此类特定细胞器pH调节器的出现。

二、利用溶酶体内特定的水解酶直接触发自组装

在疾病环境中,溶酶体会高表达特定的水解酶,如组织蛋白酶B,在很多实体瘤中都高表达。研究者通过引入特定组织蛋白酶B识别的多肽序列用于设计多肽自组装体系。所设计的多肽,在溶酶体内特定的酶作用下促使多肽自组装,从而影响细胞行为。例如,这些自组装的纳米结构可以改善多药耐药现象,还能操纵细胞的凋亡路径,通过诱导溶酶体膜渗透性增加来触发细胞死亡,为治疗癌症提供新策略。由于所选用的溶酶体酶只在癌细胞中高表达,因此这种策略具有很高的肿瘤选择性。相信不久将来,利用溶酶体内酶诱导的多肽组装可以用于多种疾病的诊断和治疗。

三、溶酶体内的多肽级联组装

这种策略通过引入一个或多个中间步骤来触发自组装,如通过pH敏感的连接基团或二级信号分子。这种复杂的自组装机制允许更精细地控制自组装的位置和时间,使得细胞行为的控制更加精确。

在溶酶体的特定环境中引导多肽自组装,为肿瘤治疗和退行性疾病治疗的新策略开发提供了新的可能性。这些策略不仅提高了治疗的针对性和效率,还展示了生物分子自组装在纳米医学和细胞工程中的巨大潜力。作者表示,未来的研究应更多地关注活细胞中形态的表征,探索小分子在细胞中形成的纳米结构,尽管这些结构的原子级结构解析仍然具有挑战性,但通过生物电子显微镜(Bio-EM)和荧光分子标记技术的快速发展,研究者可以直接观察到纳米结构及其与溶酶体膜的相互作用,从而在原子水平上理解它们在改变溶酶体膜通透性、溶酶体内稳态等中的作用。作者希望本文中讨论的方法将为读者提供有用的见解,让研究大众了解自组装多肽在疾病治疗中的应用前景。

文信息

Lysosomal Peptide Self-Assembly to Control Cell Behavior

Sangshuang Li, Dr. Huaimin Wang

ChemBioChem

DOI: 10.1002/cbic.202400232

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