基于糖的大分子精确自组装及生物学功能

Carbohydrate is one of the three most important biomacromolecules. The recognition between carbohydrate and protein is one of the crucial and basic driving forces for self-assembly in biological systems, but it has been overlooked for a long time in supramolecular self-assembly study. Supported previously by the Major Research Plan, our research group has made significant progress on protein self-assembly induced by "carbohydrate-protein" interactions and immunological function of macromolecular self-assembly with carbohydrates, which actually has exceeded the expectation of our previous research plan. Then according to the proposal requirement provided by NSFC, after discussion with immunologist and structural biologist, we propose to jointly apply the current funding focusing on "Precise self-assemblies of macromolecules induced by carbohydrates with their biological functions". The research target and content of the current proposal include: (1) realize precise self-assembly of proteins with important function driven by carbohydrate-containing small molecules, aiming at a novel and general strategy to self-assemble proteins; (2) design and prepare different kinds of macromolecular self-assemblies with carbohydrates, investigate their polarization effect on tumor-associated macrophages and immunostimulative effect on complementary systems, expecting their significant advance in tumor immunotherapy.

糖是三类最重要的生物大分子之一，“糖-蛋白”识别是生命体中重要和基本的自组装驱动力，但迄今它在超分子自组装研究中并未得到充分重视。在重大研究计划的前期支持下，我们在“糖－蛋白”作用诱导蛋白质自组装、含糖大分子组装体的免疫功能研究方面取得重要进展，已超原计划书预期。按照指南的要求，我们通过与免疫学者及蛋白质结构学者一道对相关研究的集成和凝练，提出本课题：围绕“基于糖的大分子精确自组装及生物学功能”开展深入研究，研究目标和内容包括：(1)实现在糖分子诱导下的具有重要功能的蛋白质的精确自组装，将其发展为一个独具特色且具有一定普遍意义的蛋白质自组装新路线；(2)设计和制备各类含糖自组装体，研究其在肿瘤微环境中对肿瘤相关巨噬细胞的极化作用和对补体系统的免疫激活，探索含糖组装体在肿瘤免疫学领域的应用，期望能在肿瘤免疫治疗方面有所突破。

按照项目计划书，本项目重点研究“糖－蛋白”作用诱导的蛋白质精确组装和模拟糖萼组装体的免疫学功能这两个方面。在“糖－蛋白”作用诱导的蛋白质精确组装方面，按照计划，我们进行了具有重要功能的糖结合蛋白质自组装，使用Galectin-1研究了组装过程并研究了组装体对T细胞聚集和凋亡的抑制；深入探讨了“诱导配体”的作用机理，包括诱导配体的链长效应、诱导配体双重非共价作用与蛋白质相互作用的竞争、诱导配体与蛋白质表面静电作用的贡献等，同时我们结合布朗动力学模拟对组装初始阶段的原丝稳定性进行了探讨。对于诱导蛋白质自组装的超分子作用的扩展，我们引入了基于CB[8]的主客体相互作用、金属配体作用，发现它们也可诱导蛋白质进行自组装，并且在针对同种蛋白质时，能够表现与基于罗丹明的诱导配体不同的机理和动力学。在模拟糖萼组装体的免疫学功能方面，我们研究了模拟糖萼组装体对肿瘤相关巨噬细胞(TAM)极化和功能的影响，发现该组装体确实可以将免疫抑制的TAM，转变为免疫激活，并研究了可能的分子通路，认为是NF-kB和STAT6共同作用的结果，且后者为主要因素；并进一步将模拟糖萼组装体与免疫检查点抑制剂aPD-L1联用，发现可以显著提高后者抗肿瘤的功效。同时，我们通过多种组装手段，从组装体的形貌和糖分子在胶束表面分布等多种因素对具有免疫效应的模拟糖萼组装体结构进行了优化。进一步，我们将肿瘤相关糖抗原与核酸佐剂通过大分子自组装相结合，制备了新型抗肿瘤疫苗。发现疫苗可以有效引发小鼠的细胞免疫和体液免疫，展示了模拟糖萼组装体在抗肿瘤疫苗方面的应用前景。三年来共发表标注文章27篇，包括J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等。更为重要的是，通过我们原创提出的“诱导配体”策略所获得的蛋白质组装体的结构特征在多方面超过预期，具有更加广阔的发展空间。同时，初步的抗肿瘤疫苗实验获得了成功，提示将肿瘤相关糖抗原与模拟糖萼组装体的多种组装方式相结合，必能在模拟糖萼组装体的免疫功能方面有所突破，在抗肿瘤疫苗方面的应用前景看好。