巴西研究人員的一項(xiàng)研究表明，一種叫做焦谷氨酰胺化的化學(xué)變化可以在肽合成過(guò)程中自發(fā)發(fā)生。

圣保羅研究基金會(huì)

11月1日消息

肽是兩種或多種氨基酸結(jié)合在一起形成的生物分子，這些生物分子在人體組織中發(fā)揮關(guān)鍵功能，如激素、神經(jīng)遞質(zhì)、止痛藥和抗生素。由于這個(gè)原因，例如，它們被制藥工業(yè)大量研究和使用。

巴西圣保羅聯(lián)邦大學(xué)（Federal University of São Paulo，UNIFESP）醫(yī)學(xué)院生物物理系的科學(xué)家進(jìn)行的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在一種稱為焦谷氨酰胺化的自發(fā)化學(xué)變化過(guò)程中，肽的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了顯著變化。研究于近日發(fā)表在《生物化學(xué)》（Biochemistry）雜志的上。

研究于2023年8月4日發(fā)表在《Biochemistry》（最新影響因子：2.9）雜志上

焦谷氨酰胺化（Pyroglutamination）是谷氨酰胺自發(fā)轉(zhuǎn)化為焦谷氨酸的一種修飾方式，對(duì)多肽的理化性質(zhì)產(chǎn)生重大影響。它是一個(gè)眾所周知但經(jīng)常被忽視的肽合成部分，很少在蛋白質(zhì)組學(xué)中被探索。進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員強(qiáng)調(diào)，它可以迅速發(fā)生，并隨著溫度的升高而加速，強(qiáng)調(diào)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中需要謹(jǐn)慎，以防止谷氨酰胺環(huán)化。在溫度在 37℃（健康人體組織的正常溫度）范圍內(nèi)的模擬生理環(huán)境條件下尤其重要。

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究有影響，并為神經(jīng)退行性疾病（如阿爾茨海默病和帕金森�。�的研究開辟了新的前景，因?yàn)榻?jīng)過(guò)化學(xué)修飾后，分子獲得了淀粉樣結(jié)構(gòu)，有利于分子聚集，形成斑塊，就像那些被認(rèn)為是引起所討論的疾病的斑塊。

這項(xiàng)研究的文章發(fā)表在《生物化學(xué)》雜志上，編輯們認(rèn)為這是一項(xiàng)創(chuàng)新和重要的發(fā)現(xiàn)，足以在雜志封面上突出這一發(fā)現(xiàn)。

該小組進(jìn)行了體外實(shí)驗(yàn)，以研究在 N 末端存在肽或蛋白質(zhì)序列的情況下，氨基酸谷氨酰胺 （Gln） 變成焦谷氨酸 (Pyr) 的機(jī)制。該過(guò)程通過(guò)脫酰胺作用發(fā)生，脫酰胺作用是消除氨 (NH3) 的反應(yīng)。Pyr 是谷氨酸脫水形成的環(huán)狀氨基酸。所有蛋白質(zhì)均由通過(guò)肽鍵連接在一起的多個(gè)氨基酸組成，氨基酸的數(shù)量和序列各不相同。

“該結(jié)果可以作為許多從事肽研究的研究人員的模型。我們得出了兩個(gè)重要發(fā)現(xiàn)。我們回到了一個(gè)老話題，即谷氨酰胺如何分解成焦谷氨酸，但我們對(duì)分析序列的重要性提出了警告。第二點(diǎn)是肽轉(zhuǎn)化后，其特性發(fā)生變化，并且傾向于粘附在膜上。焦谷氨酸的存在有利于淀粉樣蛋白聚集體的形成，類似于神經(jīng)退行性疾病中通常發(fā)現(xiàn)的聚集體。這些淀粉樣蛋白斑塊在大腦中形成，并中斷神經(jīng)元的流動(dòng)，”該文章的通訊作者 Clovis Ryuichi Nakaie 說(shuō)。

研究階段

該研究中使用的模型肽序列（QHALTSV-NH2）起源于該文章的第一作者 Mariana Machado Leiva Ferreira 的博士研究，當(dāng)時(shí)她正在尋找 5 個(gè) G-序列中存在的大約兩打肽的合成。蛋白質(zhì)偶聯(lián)受體 (GPCR) 的大小最多可達(dá) 20 個(gè)氨基酸。GPCR 捕獲多種細(xì)胞外信號(hào)（從光子到離子、蛋白質(zhì)、神經(jīng)遞質(zhì)和激素）并激活細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路。

Ferreira 合成的一種肽因其產(chǎn)量低而引人注目，并且是唯一一種在胺末端含有谷氨酰胺的肽。“在第一次嘗試以非常低的產(chǎn)量合成后，我們改變了幾個(gè)參數(shù)以增加肽的產(chǎn)量，包括改變合成部分和純化過(guò)程，但不幸的是它總是部分降解，”她說(shuō)。

當(dāng)該小組測(cè)試蛋白質(zhì)組學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用的溶液時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)谷氨酰胺轉(zhuǎn)化為焦谷氨酸在所有溶液中都作為時(shí)間的函數(shù)發(fā)生，符合典型的一級(jí)動(dòng)力學(xué)，其中轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)所花費(fèi)的時(shí)間成正比。然后他們決定不攪動(dòng)溶液，這樣就可以推斷出轉(zhuǎn)化率。例如，他們估計(jì)五小時(shí)后至少10%的谷氨酰胺可能轉(zhuǎn)化為焦谷氨酸。

當(dāng)天然肽在 N 末端發(fā)生焦谷氨酰胺化時(shí)，引發(fā)的微小結(jié)構(gòu)變化足以改變分子的理化行為。“由于它是環(huán)狀的并且少了一個(gè)正電荷，因此肽 Pyr 應(yīng)該比天然分子更具疏水性，因此我們預(yù)計(jì)該類似物能夠與膜模擬系統(tǒng)相互作用。我們沒(méi)有預(yù)見到的是，這種類似物會(huì)導(dǎo)致淀粉樣蛋白結(jié)構(gòu)的形成，就像神經(jīng)退行性疾病中所見的那樣。我們沒(méi)有研究其中任何一個(gè)，但我們的結(jié)果指向了這個(gè)方向，”該文章的聯(lián)合通訊作者 Emerson Rodrigo da Silva 說(shuō)。

Nakaie 強(qiáng)調(diào)了生物體中涉及多肽鏈的翻譯后變化的重要性。它們?cè)诘鞍踪|(zhì)的功能多樣性中發(fā)揮作用，并使基因編碼的氨基酸序列能夠適應(yīng)以執(zhí)行各種調(diào)節(jié)功能。

“在這種情況下，時(shí)間作為一個(gè)因素總是與變化的發(fā)生相關(guān)，無(wú)論它們的速度或在我們有機(jī)體中的位置如何。這讓人想起生物鐘的想法，這就是為什么我們建議在期刊封面上放一個(gè)沙漏來(lái)象征 Gln 自發(fā)轉(zhuǎn)化為 Pyr 的原因，” Nakaie 說(shuō)。

他擔(dān)任 EPM-UNIFESP 教授已有 45 年，并強(qiáng)調(diào)了該小組在生物物理系所做的開創(chuàng)性工作。他特別指出，他們將肽和氨基酸衍生物的合成和生物化學(xué)引入巴西。

“我們的研究結(jié)果無(wú)疑將為進(jìn)一步的研究鋪平道路。在完成 Mariana Ferreira 博士研究的工作后，我們也想繼續(xù)這條研究路線，”他說(shuō)。

創(chuàng)立于1933年的巴西圣保羅聯(lián)邦大學(xué)

參考文獻(xiàn)

Source：São Paulo Research Foundation

Chemical process makes peptide acquire structure similar to amyloid plaques found in neurodegenerative diseases

Reference：

Mariana M. L. Ferreira et al, Pyroglutamination-Induced Changes in the Physicochemical Features of a CXCR4 Chemokine Peptide: Kinetic and Structural Analysis, Biochemistry (2023). DOI: 10.1021/acs.biochem.3c00124

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       原文標(biāo)題 : 化學(xué)過(guò)程使肽獲得與神經(jīng)退行性疾病中發(fā)現(xiàn)的淀粉樣斑塊相似的結(jié)構(gòu)