CN111234034B - 一种调控细胞膜受体的多肽组合物及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种调控细胞膜受体的多肽组合物及其制备方法和应用。所述多肽组合物包括靶向片段和组装驱动片段；所述靶向片段包括通过化学键相连的靶向单元和反应基团I，所述靶向单元的受体为细胞膜受体；所述组装驱动片段包括通过化学键依次相连的反应基团II、组装单元和信号分子。本发明采用生物相容性良好的多肽作为调控受体的媒介，多肽组合物按两段化设计并分别设计为修饰有点击反应基团的靶向片段和组装驱动片段，靶向片段能够特异性的结合到目标受体，并通过点击反应实现与组装驱动片段的偶联，同时在细胞膜上组装成纤维，实现所述细胞膜受体的寡聚化，完成对受体的精准调控。

Description

一种调控细胞膜受体的多肽组合物及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及医药技术领域，尤其涉及一种调控细胞膜受体的多肽组合物及其制备方法和应用。

背景技术

从DNA的转录到蛋白的翻译，从细胞的信号转导到亚细胞器的构建，生物分子的组装在细胞内的很多生物过程都起到关键性的作用。多肽作为一种重要的生物分子同样具备一定的组装能力，与其他的生物分子相比，多肽由于其较小的分子尺寸、残基极性、亲疏水性等特点，能够在氢键、亲疏水相互作用等多种非共价相互作用的驱动下发生组装，因此成为构建超分子结构的首选单元。

生物体通过细胞之间的信号转导实现其功能的调控。根据受体在细胞中的位置，将其分为细胞表面受体和细胞内受体两大类。受体本身至少含有两个活性部位：一个是识别并结合配体的活性部位；另一个是负责产生应答反应的功能活性部位，这一部位只有在与配体结合形成二元复合物并变构后才能产生应答反应，由此启动一系列的生化反应，最终导致靶细胞产生生物效应。

细胞膜受体大多数配体信号分子是亲水性的生物大分子，如细胞因子，蛋白质多肽类激素、水溶性激素、前列腺素、亲水性神经递质等，由于不能通透靶细胞膜进入胞内，因此，这类配体信号分子的受体是定位于靶细胞膜上。细胞膜受体作为激活细胞信号通路的开关，其与信号分子的结合会诱导受体的构象、排列方式以及分布等发生变化，使其在细胞膜上组装成纳米到微米级的聚集体，进一步促进下游信号通路的激活。细胞膜受体发生寡聚化的固有特性使得通过人工调控细胞膜受体发生寡聚化来控制细胞行为成为可能。

CN101063657A公开了一种筛选配体与细胞膜受体结合的方法和系统。所述检测配体与细胞膜受体结合的方法，包括用染料和配体孵育细胞和检测细胞中含染料的内吞囊泡。筛选与细胞膜受体结合的配体的系统包括自动液体控制装置、x-y控制载物平台、单个细胞的内吞囊泡成像的显微镜装置、自动分析FM亮点(内吞囊泡)软件以及控制x-y载物平台和显微镜移动的控制装置。此发明利用高通量筛选得到能够作用于G蛋白偶联受体(Gprotein-coupled receptors，GPCRs)的配体，进而实现对G蛋白偶联受体进行调控。

目前，调控细胞膜受体的方式局限于通过模拟配体诱导的受体寡聚化，将光、电、磁等外部的物理刺激通过载体转化成细胞膜受体的机械力，来实现受体的调控。但是，由于刺激源的物理特性、载体的免疫原性以及生物相容性等使得其在活体上的应用受到一定的限制。

因此，发展一种安全、高效、简便且智能化调控细胞膜受体的方式是本领域的一大挑战。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明设计了一种多肽组合物，通过化学反应介导多肽组合物发生原位自组装并诱导细胞膜受体寡聚化进行受体调控。其中多肽组合物包括有靶向功能的多肽片段和有组装功能的多肽片段，两个多肽片段上分别修饰点击反应基团使其在靶向到细胞表面受体后发生点击反应，并在细胞膜上组装并诱导细胞表面受体发生寡聚化，通过激活相应的信号通路，实现调控自身的功能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种多肽组合物，所述多肽组合物包括靶向片段和组装驱动片段；所述靶向片段包括通过化学键相连的靶向单元和反应基团I，所述靶向单元的受体为细胞膜受体；所述组装驱动片段包括通过化学键相连依次相连的反应基团II、组装单元和信号分子。

本发明采用生物相容性良好的多肽作为调控受体的媒介，保证该策略的安全性。多肽组合物按两段化设计，能够缩短分子大小，提高分子的稳定性和渗透性，其次分子采用模块化设计，分别设计两段具有靶向和组装驱动功能的多肽片段。通过分子的合理设计，借助分子的靶向性将分子特异性的结合到目标受体，并通过生物正交反应实现与组装驱动片段的偶联和快速组装，同时在细胞膜上组装成纤维，实现分子与受体的高效相互作用，为受体调控的效率提供保障。

作为本发明一种优选的技术方案，所述反应基团I与反应基团II之间发生点击反应。

本发明中，通过点击反应实现分子的快速聚集，在时间上实现受体的精准调控。

通过点击反应实现两段分子的偶联，从而打破分子的亲疏平衡，通过分子间的氢键，π-π相互作用，疏水相互作用等多重非共价作用力的驱动下在细胞膜上进行组装，并通过多肽分子之间的组装驱动膜受体的寡聚化，从而激活下游信号通路，调控细胞功能。

优选地，所述反应基团I为点击反应基团DBCO。

优选地，所述反应基团II为点击反应基团-N₃。

作为本发明一种优选的技术方案，所述靶向单元的多肽序列由5～20种(例如可以是5种、6种、8种、10种、12种、15种、16种、18种或20种等)氨基酸排列组合而成。

本发明中，靶向单元可根据细胞膜受体灵活选择，根据细胞膜上的受体确定靶向单元的多肽序列。因此，本发明提供的调控细胞膜受体的策略具备一定的普遍性，可以针对不同的受体，通过分子的灵活设计选用不同的靶向单元实现包括CD40在内的多种受体的精准调控。

优选地，所述靶向单元的多肽序列包括苏氨酸(Thr)、酪氨酸(Tyr)、丝氨酸(Ser)、谷氨酸(Glu)、脯氨酸(Pro)、甘氨酸(Gly)、天冬氨酸(Asp)、亮氨酸(Leu)、赖氨酸(Lys)或半胱氨酸(Cys)中的任意一种或两种以上的组合。

优选地，所述靶向单元的受体包括肿瘤坏死因子受体超家族成员5(CD40)受体。

CD40受体(Bp50)是与T细胞和B细胞功能有关的一种表面抗原，表达于B细胞、胸腺上皮细胞、活化的单核/巨噬细胞、树突状细胞、造血干细胞、上皮细胞、内皮细胞和一些肿瘤细胞系，如肝癌细胞系HepG2、黑色素瘤细胞系HS294T等。

优选地，所述靶向单元的多肽序列包括ATYSEFPGNLKPC。

作为本发明一种优选的技术方案，所述组装单元的多肽序列由5～20种(例如可以是5种、6种、8种、10种、12种、15种、16种、18种或20种等)氨基酸排列组合而成。

优选地，所述组装单元的多肽序列包括丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、异亮氨酸(Ile)、谷氨酰胺(Gln)、赖氨酸(Lys)、天冬氨酸(Asp)、亮氨酸(Leu)、苯丙氨酸(Phe)、缬氨酸(Val)或谷氨酸(Glu)中的任意一种或两种以上的组合。

优选地，所述组装单元的多肽序列包括KLVFFAE。

作为本发明一种优选的技术方案，所述信号分子包括荧光基团、核素或金属配体中的任意一种或两种以上的组合。

优选地，所述荧光基团的供体包括FITC、ICG或Cy光学造影剂中的任意一种或两种以上的组合。

作为本发明一种优选的技术方案，所述组装驱动片段还包括亲水单元。

优选地，所述亲水单元连接于所述反应基团II和组装单元之间。

优选地，所述亲水单元的多肽序列为APIAQKDELE。

作为本发明一种优选的技术方案，所述反应基团I具有如式I所示的结构：

优选地，所述靶向片段具有如式II所示的结构：

优选地，所述组装驱动片段具有如式III所示的结构：

所述靶向片段与组装驱动片段的组装行为能够通过紫外、荧光、圆二色谱等光谱学方法进行表征，以实现对多肽组合物组装行为的充分阐明。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的多肽组合物的制备方法，所述制备方法为：

采用多肽固相合成法制备靶向单元，而后将反应基团I修饰到所述靶向单元上得到靶向片段；采用多肽固相合成法制备组装单元，而后将反应基团II和信号分子分别修饰到所述组装单元的两端得到组装驱动片段。

本发明中，多肽的合成采用Fmoc固相合成法，并将多肽从树脂上裂解后，分别在80％二甲基亚砜(DMSO)以及PBS缓冲体系下将点击反应基团修饰到靶向肽和组装驱动肽上。通过HPLC进行纯化分析，采用MALDI-TOF鉴定分子量。

作为本发明一种优选的技术方案，所述反应基团I通过马来酰亚胺与巯基之间的加成反应修饰于所述靶向单元上。

优选地，所述信号分子通过氯代菁染料与与巯基之间的取代反应修饰于所述组装单元上。

优选地，所述组装驱动片段上的亲水单元通过多肽固相合成法进行合成。

第三方面，本发明提供一种利用如第一方面所述多肽组合物调控细胞膜受体的方法，所述方法包括如下步骤：

将靶向片段与含有目标细胞膜受体的细胞共孵育，而后与组装驱动片段共孵育，诱导所述细胞膜受体寡聚化，实现对所述细胞膜受体的调控。

第四方面，本发明提供一种利用如第一方面所述的多肽组合物制备得到的调控细胞膜受体的试剂和/或药物。

第五方面，本发明提供一种如第一方面所述的多肽组合物在调控细胞膜受体或制备调控细胞膜受体的试剂和/或药物方面的应用。

本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明利用多肽发生自组装、细胞膜受体发生寡聚化的固有特性作为理论基础，结合组装驱动多肽发生组装的多价相互作用和多肽良好的靶向能力，提供了一种调控细胞膜受体的多肽组合物，通过采用低免疫原性、高生物相容性的多肽调控细胞表面受体，发展了一种安全，高效，精准并智能化的调控细胞膜受体方法。

(2)本发明提供的多肽组合物能够在空间和时间分辨率上实现受体的精准调控，通过高效点击反应调控分子的组装时间，实现时间分辨率上的受体的精准调控，同时本发明提供的多肽组合物调控细胞膜受体的策略具备一定的普遍性，针对不同的受体，通过分子的灵活设计选用不同的靶向单元实现空间上的精准调控。

附图说明

图1为靶向片段与组装驱动片段在细胞膜表面与细胞膜受体结合的过程示意图，其中，1-靶向片段，2-组装驱动片段，3-靶向片段与组装驱动片段反应后得到的多肽配体，4-细胞膜受体，5-细胞膜。

图2为实施例1合成的靶向片段TA的结构示意图。

图3为实施例1合成的组装驱动片段SA的结构示意图。

图4为实施例2中不同分子在磷酸盐缓冲体系下的吸光度-时间曲线变化图。

图5为实施例2中靶向片段TA、组装驱动片段SA以及多肽配体TA-SA的圆二色谱图。

图6(a)为实施例2中TA和SA共孵育15min后产生的多肽配体TA-SA组装形貌图(标尺100nm)；图6(b)为实施例2中TA和SA共孵育72h后产生的多肽配体TA-SA组装形貌图(标尺100nm)；

图7(a)为实施例3中靶向多肽TA与DC 2.4细胞共孵育后的在激光共聚焦显微镜下的明场图；图7(b)为实施例3中TA与DC 2.4细胞共孵育后FITC荧光场图；图7(c)为实施例3中实施例3中TA与DC 2.4细胞共孵育后明场与FITC荧光场合并图。(标尺10μm)

图8为实施例4中不同分子与DC2.4细胞表面受体CD40发生荧光能量共转移的激光共聚焦显微镜图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

以下实施例中未注明具体条件的实验方法，均按照本领域常规方法、常规条件或按照制造厂商所建议的条件进行。

实施例1

本实施例提供一种调控细胞膜受体的多肽组合物及其制备方法；所述多肽组合物包括靶向片段(TA)和组装驱动片段(SA)。

1.靶向片段(TA)和组装驱动片段(SA)的设计

设计两端分别具有靶向识别和组装行为的多肽分子，分别标记click反应基团DBCO以及叠氮，通过活体内的生物正交反应实现两条多肽链的偶联来构筑目标多肽分子。

其中，靶向片段包括具有靶向识别功能的多肽分子，其序列为ATYSEFPGNLKPC，点击(click)反应基团DBCO；靶向片段的结构可表示为ATYSEFPGNLKPC-DBCO；

组装单元的设计采用模块化设计，包括：1)具有自组装功能的、淀粉样蛋白的组装单元，其序列为KLVFFAE；2)具有调节组装单元亲疏水平衡的亲水单元，其序列为APIAQKDELE；3)反应基团II及其连接位点-N₃；4)具有调节分子分散性以及提供荧光信号的信号分子近红外染料Cy7，Cy7通过半胱氨酸(C)与组装片段相连；

组装驱动片段的结构可表示为N₃-APIAQKDELE-KLVFFAEC-Cy7。

如图1所示，TA能够靶向到细胞膜受体并实现特异性结合，随后SA能够与TA发生点击反应，并且与TA共同组装在细胞膜受体表面，实现细胞膜受体的寡聚化。

2.采用Fmoc(9-芴基甲氧基羰基保护基)固相多肽合成法合成靶向单元和组装单元

以靶向单元的合成为例介绍多肽分子的合成过程：

选用半胱氨酸修饰的N端被Fmoc基团保护的，修饰密度为0.37mM的Wang树脂，所述树脂用无水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)过夜溶胀后，用含有体积比20％(v/v)六氢吡啶的DMF溶液脱保护15min，脱去Fmoc保护基团，并用DMF和二氯甲烷(DCM)交替洗涤3次，然后用茚三酮测试法检测脱保护是否成功(其中茚三酮检测液由茚三酮、VC、苯酚按体积比1:1:1配制)；

确认保护基团脱去后(树脂颜色变成深蓝色)，分别称取10倍摩尔当量的脯氨酸和苯并三氮唑-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸酯(HBTU)，用体积比为5％(v/v)氮甲基吗啉的DMF溶液溶解后加入到已脱保护的树脂中并在摇床上反应60min，在偶联剂氮甲基吗啉的催化下，通过半胱氨酸的氨基和脯氨酸的羧基之间的缩合反应使脯氨酸共价偶联到半胱氨酸上；

反应结束后，用DMF和DCM交替洗涤树脂三次后用茚三酮检测试法检测脯氨酸是否偶联到半胱氨酸上，树脂未变色，说明氨基酸偶联成功，重复以上操作，完成所有氨基酸的偶联；

完成最后一个氨基酸保护基团的脱去后，用裂解液(含有体积比为2.5％水、2.5％三异丙基硅烷和2.5％1,2-乙二硫醇的三氟乙酸溶液)将合成好的多肽从树脂上裂解，同时脱除氨基酸的侧链保护；用低流速氮气将三氟乙酸吹干，再将得到的多肽粗产物用无水乙醚沉淀，洗涤并干燥得到目标多肽片段，并通过质谱对其分子量进行表征，最终确认得到目标靶向单元片段；

为了将点击反应活性基团DBCO标记于TA上，将合成好的靶向单元溶解在80％(v/v)的DMSO水溶液体系中，通过马来酰亚胺与巯基之间的加成反应将DBCO偶联到靶向单元上，最终得到如图2所示的靶向片段(TA)；同样的，将合成好的组装单元溶解在80％(v/v)的DMSO水溶液体系中即可将点击反应活性基团N3标记于SA上。

在生理条件磷酸盐缓冲液中，组装单元上的巯基与氯代菁染料(Cl-Cy7)之间发生取代反应，近红外染料Cy7标记到组装单元上，得到如图3所示的组装驱动片段(SA)。

通过高效液相色谱和质谱对分子进行纯度和分子量的表征，并选用反相制备液相色谱将分子纯化。

其中，纯化过程的条件为：流动相是含有0.1％(v/v)三氟乙酸的乙腈和含有0.1％(v/v)三氟乙酸的双蒸水；

参数设置为：梯度洗脱，流动相从15％乙腈/85％水转换到80％乙腈/20％水，流速为1mL/min，处理时间为30min；检测器为紫外检测器，检测波段为230nm。

本实施例分别设计并合成了两段分别具有靶向功能并修饰点击反应基团IDBCO的靶向单元TA以及带有组装单元和点击反应基团II叠氮的组装驱动多肽片段SA。

实施例2

本实施例在水溶液中研究实施例1制备的多肽组合物TA和SA在点击反应介导下的分子组装行为。

以光的散射为理论基础，利用紫外分光光度计对TA和SA在磷酸盐缓冲溶液中的浊度变化进行实时跟踪。具体步骤为：

首先分别检测50×10⁶M的靶向片段TA以及50×10⁶M的组装驱动片段SA的吸光度(检测波长为500nm)随着时间的变化，并绘制TA和SA在缓冲液中的时间-吸光度变化曲线，判断两段多肽片段在一定的时间范围内的单分散状态的稳定性。

其次，将等摩尔比的TA与SA共孵育后观察其吸光度的变化，并绘制时间-吸光度变化曲线，评估两段分子发生反应后的聚集情况，同时，将未标记点击反应基团的靶向单元(TA-unlabeled)与组装单元共孵育进一步确认两段多肽片段的偶联对于最终产物发生聚集的贡献。

最终得到的吸光度-时间曲线如图4所示，由图4可知，等摩尔比的TA与SA共孵育后其吸光度在0-10min内明显上升，说明两者之间发生了点击反应并快速聚合，相比较而言，单分散的TA和SA的吸光度基本不变，说明两者的稳定性较好，而未标记点击反应基团的TA-unlabeled与SA共孵育后，没有观察到其吸光度的变化，说明若两段多肽分子不反应就不能发生聚集，进一步验证点击反应主导分子的聚集。

确认两段多肽片段偶联诱导反应产物的聚集后，通过圆二色谱对TA、SA以及反应产物即多肽配体TA-SA的最终二级结构进行研究，其圆二色谱图如图5所示，由图5可知，对于TA，SA来说在200nm处观察到Random结构的负特征峰，说明两段分子在缓冲体系下以相对分散的形式存在，对于TA-SA来说在200nm处观察到β-sheet结构的特征正峰，说明两段分子发生反应后可组装成以β-sheet为结构特征的超分子组装体。

同时，通过透射电镜(六硼化镧透射电子显微镜，Tecnai G2 20S-TWIN(T-20)，美国FEI公司)对TA和SA共孵育不同时间(15min和3天)后产生的产物TA-SA的形貌进行观察，所得TA-SA的形貌图如图6(a)和图6(b)所示，由图可知，共孵育15min后，在透射电镜下能够观察到TA与SA发生反应后快速聚集成30nm大小的纳米颗粒，随着组装时间的延长，及孵育3天后，TA与SA组装成纳米纤维。

实施例3

本实施例在细胞水平上研究多肽组合物对于受体的调控。

所述多肽组合物的合成方法同实施例1，区别仅在于将信号分子替换为荧光分子FITC，得到多肽组合物TA和SA。

树突状细胞作为重要的抗原呈递细胞，在T细胞的激活中起到关键性的作用。CD40是树突状细胞表面表达的一种膜受体，并在DC的熟化中起到重要的作用。因此，本实施例选用细胞为DC2.4细胞(小鼠骨髓来源树突状细胞)，将FITC标记的TA按50×10^-6M的浓度与DC2.4细胞共孵育30min，并用PBS清洗3次，将准备好的样品用激光共聚焦显微镜观察(多光束激光共聚焦成像系统，UltraVIEW VoX(U-Vox)，珀金埃尔默仪器(上海)有限公司)分子的靶向能力，结果如图7(a)～(c)所示，由图可知，FITC标记的TA与DC 2.4细胞共孵育30min后在DC2.4细胞表面观察到明显的绿色荧光，说明TA分子能够精准靶向到DC2.4细胞。

实施例4

本实施例研究多肽组合物是否能够诱导细胞膜受体发生寡聚化。

荧光能量共转移(FRET)是研究蛋白跟蛋白之间相互作用的有效手段，因此，首先分别构建带有能够发生FRET效应的蓝色荧光蛋白(Blue Fluorescence Protein，BFP)和绿色荧光蛋白(Green fluorescent protein，GFP)标签的CD40质粒，并对DC2.4细胞进行转染，使之同时表达带有荧光蛋白BFP和GFP的CD40受体，并分别与靶向片段TA，组装驱动片段SA，以及多肽组合物产生的多肽配体TA-SA共孵育之后通过激光共聚焦显微镜直观的观察FRET效应。

BFP和GFP是一对能够发生FRET效应的分子对，BFP是荧光给体，GFP是荧光受体，当发生FRET效应时给体的荧光减弱，受体的荧光增强。所得结果如图8所示，与使用单一TA或SA处理的DC2.4细胞相比，经过TA与SA共孵育的DC2.4细胞，在BFP通道观察到荧光的减弱，在GFP通道观察到荧光的增强，说明了带有BFP标签的CD40和带有GFP标签的CD40之间发生FRET效应，受体蛋白之间的距离拉近，进一步说明受体发生寡聚化，从而验证了该配体调控受体的有效性。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种多肽组合物，其特征在于，所述多肽组合物包括靶向片段和组装驱动片段；

所述靶向片段包括通过化学键相连的靶向单元ATYSEFPGNLKPC和反应基团I，所述靶向单元的受体为CD40受体；

所述反应基团I为点击反应基团DBCO；

所述靶向片段为式II所示的结构：

所述组装驱动片段由通过化学键依次相连的反应基团II、亲水单元、组装单元KLVFFAE和信号分子组成；

所述反应基团II为点击反应基团N₃，所述反应基团I与反应基团II之间发生点击反应；

所述亲水单元的多肽序列为APIAQKDELE。

2.根据权利要求1所述的多肽组合物，其特征在于，所述信号分子包括荧光基团、核素或金属配体中的任意一种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述的多肽组合物，其特征在于，所述荧光基团的供体包括FITC、ICG或Cy光学造影剂中的任意一种或两种以上的组合。

4.根据权利要求1所述的多肽组合物，其特征在于，所述组装驱动片段具有如式III所示的结构：

5.一种如权利要求1-4任一项所述的多肽组合物的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：

采用多肽固相合成法制备靶向单元，而后将反应基团I修饰到所述靶向单元上得到靶向片段；

采用多肽固相合成法制备组装单元，而后将反应基团II和信号分子分别修饰到所述组装单元的两端得到组装驱动片段。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述反应基团I通过马来酰亚胺与巯基之间的加成反应修饰于所述靶向单元上。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述信号分子通过氯代菁染料与巯基之间的取代反应修饰于所述组装单元上。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述组装驱动片段上的亲水单元通过多肽固相合成法进行合成。

9.利用如权利要求1-4任一项所述的多肽组合物制备得到的调控细胞膜受体的试剂和/或药物。

10.如权利要求1-4任一项所述的多肽组合物在制备调控细胞膜受体的试剂和/或药物方面的应用。

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