國產頂刊Vita：西湖大學黨波波團隊發現“雙手通用”的蛋白分子剪刀，用于開發新型ADC藥物

撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

在自然界中，蛋白質幾乎全部由L-型氨基酸構成，從而進化出 L-型（左手型）結構，它們優先與其他 L-型蛋白質進行同手性相互作用，而避免與其 D-型（右手型）對映體結合。相應的，天然蛋白酶通常被認為只能識別和切割 L-型多肽，而對其鏡像分子 D-型多肽“視而不見”。這種 L-型蛋白酶只認 L-型底物的特性，長期以來被視為分子生物學的一條鐵律。

2026 年 4 月 20 日，西湖大學黨波波/李恬團隊聯合黃晶團隊（李夢嬌、陳凱為共同第一作者），在國產期刊Vita上發表了題為：Transcending Stereochemical Boundaries: Ambidextrous Cleavage of D- and L-Peptide Enantiomers by Natural Eukaryotic Proteases 的研究論文。

該研究突破蛋白質同手性識別這一傳統認識原則，首次發現幾種天然真核蛋白酶同時具有“同手性”和“異手性”識別催化能力，能夠高效切割相同序列的 L-型及 D-型多肽底物。基于這一發現，研究團隊成功將組織蛋白酶 B 的 D-型多肽底物開發為一種高效的可切割連接子，用于抗體-藥物偶聯物（ADC），并在體外和體內實驗中均展現出顯著的抗腫瘤效果。

這一發現揭示了天然真核蛋白酶具有此前未被認識到的底物識別廣度，不僅拓展了關于蛋白酶特異性的理論框架，也為治療性設計開辟了新途徑。

傳統認知

生命世界存在著一種深刻的不對稱性。從氨基酸到糖類，生物分子通常只以兩種可能的鏡像形式（即對映異構體）中的一種存在。天然蛋白質和多肽幾乎完全由L-型氨基酸組成。

這種“同手性”是分子間精準識別的基礎。可以理解為左手手套只能舒服地戴在左手上。同樣，天然蛋白酶（負責切割蛋白質的酶）被公認為只能高效水解由 L-型氨基酸組成的多肽鏈（L-型多肽），而對由 D-型氨基酸組成的鏡像多肽鏈（D-型多肽）無能為力。

正是基于這種特性，D-型多肽和蛋白質在藥物開發中展現出巨大潛力。由于體內蛋白酶難以降解它們，D-型多肽或蛋白藥物往往具有極高的代謝穩定性和低免疫原性，是設計長效療法的理想候選。

然而，這種特性也引發擔憂：如果存在完全由 D-型分子構成的“鏡像生命”，它們可能無法被我們的免疫系統有效識別和清除，從而構成潛在的生物安全風險。

意外發現

西湖大學黨波波團隊從一個簡單卻顛覆性的問題出發：天然真核生物蛋白酶真的完全不能切割 D-型多肽嗎？

為了尋找答案，他們設計并構建了一個組合 D-型多肽文庫，系統性地篩選了多種真核蛋白酶。

結果顯示，在篩選的十種蛋白酶中，有三種展現出了切割特定 D-型多肽序列的能力。這三種蛋白酶分別是：木瓜蛋白酶（Papain）、人組織蛋白酶 B（hCATB）和小鼠羧酸酯酶 1c（mCES1c）。

更令人驚訝的是，這些蛋白酶不僅能切割 D-型多肽，也能同樣高效地切割具有相同氨基酸序列的 L-型多肽。這意味著，這些酶是真正“雙手通用”的——同時具有“同手性”和“異手性”識別催化能力，能夠以相近的高效催化效率，同時切割相同序列的 L-型和 D-型多肽底物。

蛋白質的同手性和異手性識別

高效催化

為了探尋這些“雙手通用”蛋白酶的工作機制，研究團隊進行了深入分析。他們發現，與識別 L-型多肽時相對寬松的序列要求不同，這些蛋白酶對 D-型多肽的識別表現出高度序列特異性。

只有非常優化的 D-型多肽序列才能被高效切割。例如，通過系統優化，研究團隊為人組織蛋白酶 B 找到了最優 D-型多肽底物“-rkyyG/w-”（小寫字母代表 D-型氨基酸）。催化效率參數 kcat/Km 達到了 4.6×104 M-1 s-1

這個效率是什么概念？它完全可以與一些廣泛使用的、專一性切割 L-型多肽的天然蛋白酶（例如 TEV 蛋白酶、HRV3C 蛋白酶）相媲美，甚至更優。這表明，這種“雙手通用”的催化能力并非弱效的副反應，而是一種高效、特異的酶學功能。

結構奧秘

“雙手通用”的分子基礎是什么？為了從原子層面揭示奧秘，研究團隊解析了人組織蛋白酶 B 分別與 D-型多肽和 L-型多肽抑制劑結合的三維結構。

結構解析顯示，同一種酶采用了截然不同的結合模式來容納不同手性的底物。D-型多肽和 L-型多肽結合在活性腔溝的不同側面，并與酶形成不同的氫鍵網絡。

有趣的是，當 L-型多肽結合時，蛋白酶的一個柔性環（Thr120-Gly123）會發生明顯的構象變化，為底物“騰出空間”。這種結構可塑性，可能是蛋白酶能夠打破手性壁壘、實現“雙手通用”的關鍵。

分子動力學模擬進一步證實，D-型多肽和 L-型多肽在蛋白酶的結合口袋中能各自找到穩定的結合姿態，但相互之間的結合模式并不對稱。這表明，手性識別是高度系統特異性的，取決于酶口袋的可塑性與底物構象柔性之間的精妙平衡。

應用突破

基礎研究的突破，迅速導向了具有重大價值的應用。人組織蛋白酶 B（hCATB）在許多腫瘤細胞中過表達，其多肽底物已被廣泛用于設計抗體-藥物偶聯藥物（ADC）中的“可切割連接子”。

ADC 如同一枚“生物導彈”，由靶向癌細胞的抗體、細胞毒性載荷以及連接二者的“連接子”構成。在腫瘤微環境中，組織蛋白酶 B 切割連接子，從而精準釋放 ADC 攜帶的毒素，殺死癌細胞。

在這項新研究中，研究團隊將優化的 D-型多肽序列“-rkyyG-”開發為新型 ADC 連接子。與目前臨床常用的 L-型多肽連接子相比，這個 D-型多肽連接子展現出多重優勢——

首先，D-型結構使其在血液中極其穩定，避免了藥物在到達腫瘤前過早釋放，降低了全身毒性。實驗證實，在小鼠血漿中，基于 D-型多肽的 ADC 穩定性遠優于傳統連接子的 ADC。

其次，該連接子含有帶正電荷的氨基酸，水溶性更好，有助于改善 ADC 的理化性質。

最后，也是最重要的，它表現出極高的蛋白酶特異性，只被人組織蛋白酶 B（hCATB）高效切割，而對其他結構相似的組織蛋白酶幾乎無反應。這意味著更精準的腫瘤內藥物釋放和更小的脫靶毒性風險。

人組織蛋白酶 B（hCATB）的 D 型多肽底物被開發為 ADC 藥物的可裂解連接子

在細胞實驗和動物模型中，搭載了這種新型 D-型多肽連接子的 ADC 藥物展現了強大的抗腫瘤活性，且在體內藥效實驗中表現優于基于傳統連接子 ADC，這很可能歸功于其卓越的血漿穩定性。

這項研究從根本上拓寬了我們對蛋白酶特異性的理解框架。傳統上認為嚴格受手性約束的分子識別，在某些天然蛋白酶中展現出意想不到的靈活性。“雙手通用”的催化能力可能根植于分子識別的原始起源，或作為潛在的進化能力被保留下來。這一發現提示，通過系統性篩選，可能會發現更多擁有此類隱藏能力的蛋白酶。

從應用角度看，這項研究藥物研發打開了新大門。基于D-型多肽的分子，可以用于開發新一代蛋白酶抑制劑、活性探針、自組裝材料，以及用于前體藥物的高選擇性可切割連接子，為精準治療、診斷和分子工程學開辟了新機遇。

論文鏈接：
https://www.vita-journal.com/vita/EN/10.15302/vita.2026.03.0022