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ChemBioChem:酶活性精准调控2022-10-19
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图1:生物医学应用酶活性调节的先进策略

近年来,以酶作为疾病治疗的药物越来越受到医药市场亲睐。据相关人员预测,到2024年,蛋白酶和糖酶行业总值预计将分别达到20亿美元和25亿美元。众所周知,酶是能够显著提升反应速率的生物大分子类催化剂,它们对其底物具有高度特异性,对生物体内生化过程的调节至关重要。研究表明,大多数人类疾病均与酶活性的改变有关。目前,酶类药物已被认为是针对代谢紊乱、癌症、心脑血管等多种疾病的潜在治疗工具。同时,酶在解决COVID-19等当前重大国际健康问题方面也展现出不俗效果。然而,值得注意的是,由于酶通常不能区分正常组织和病理组织,这一特性将在实际治疗过程中引起显著的不良反应(即脱靶效应)。按需调控酶活性可使得酶仅在目的组织发挥活性,进而避免非特异性酶促反应的发生。因此,迫切需要在分子水平上实现对酶活性的精准调控,这将为疾病的治疗提供全新的策略和手段。

伴随酶活性的精准调控受到了越来越多的关注,一系列的调控策略也被陆续报道,以实现在体外和体内对酶活性的按需控制。近日,南开大学刘阳研究员系统讨论了酶活性按需调控的机制和策略(DOI:10.1002/cbic.202200358),并对此领域的发展提出了见解(图1)。酶的活性大小取决于酶对其底物的化学和立体化学亲和力。在酶促反应过程中,酶与底物之间的亲和力以及所形成的酶-底物复合物的稳定性至关重要。因此,酶活性调控的本质是控制活性位点与底物的识别和相互作用。

在本综述中,作者将酶活性的调控分为可逆调控与不可逆调控两类。对于酶活性可逆调控,控制底物和酶之间的可及性和诱导酶的构象变化是其主要的调控机制(图2)。酶活性不可逆调控的机制主要包括:阻断或恢复底物可及性、前药策略和破坏酶的蛋白结构三类(图3)。目前,包括光、热、pH、磁场和机械应力在内的多种刺激方式已被应用于设计响应性抑制剂、聚合物和纳米材料,以期实现具有高时空分辨率的按需活性控制。随后,作者按刺激方式的不同,分类介绍了酶活性调控在生物医学领域的应用。

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图2:酶活性可逆调控机制

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图3:酶活性不可逆调控机制

最后,作者在展望部分提出了目前在酶活性调节领域的发展和应用中存在的问题及挑战。首先,对多酶级联反应调控的研究较少;其次,探索内源性信号对酶活性的调节;第三,从实验室阶段到临床转化仍旧十分漫长。此外,为加速酶类药物的工业化和产业化,关于酶的生物毒性、半衰期及储存运输等仍需进一步深入研究。

文信息

Advanced Strategies of Enzyme Activity Regulation for Biomedical Applications

Zihan Chen, Dr. Yu Zhao, Prof. Yang Liu

ChemBioChem

DOI: 10.1002/cbic.202200358

 

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