近日，我院刘俊秋教授团队在Nano letters 上发表题为“Design of Multimodal Supramolecular Protein Assemblies via Enzyme–Substrate Interactions for Intracellular Antioxidant Regulation”的学术论文。创新的设计了一种由酶 - 底物相互作用驱动的动态超分子蛋白组装体系，用于细胞内的抗氧化调控。利用经过半胱氨酸突变修饰的谷胱甘肽S - 转移酶（GSTK77C），设计了一种含有谷胱甘肽（GSH）基团和马来酰亚胺基团（通过PEG链连接）的效应分子（GMP4M）。该体系能够形成具有多样化形态的分层蛋白组装结构，包括纳米线、纳米环、纳米枝和纳米扭曲结构，并且能够通过内源性GSH实现可切换的“开/关”酶活性调节。这些组装结构在生理条件下保持结构完整性，展现出显著的可逆性，并且在稳定性和环境适应性方面优于天然的谷胱甘肽S - 转移酶（GST）。这种方法为创建可调节且多样化的蛋白组装提供了一个多功能平台，具有广泛应用于抗氧化治疗和生物医学干预的潜力。

引言

蛋白质可通过“效应”分子的存在以不同方式组装，从而实现对蛋白质结构和功能的调控。然而，生物分子功能的调控复杂且尚未完全被理解。实现规则的超分子蛋白质组装通常需要精确设计具有特定几何和对称性的蛋白质，对设计的准确性要求极高。

本研究详细阐述了一种基于酶 - 底物相互作用的超分子蛋白组装策略。通过将野生型谷胱甘肽S - 转移酶（GST）的第77位赖氨酸突变为半胱氨酸（GSTK77C），设计了一种效应分子GMP4M。该分子由谷胱甘肽（GSH）基团、聚乙二醇（PEG）链以及马来酰亚胺基团组成。GMP4M能够与GSTK77C发生特异性结合，从而驱动蛋白组装形成纳米线结构。

原子力显微镜（AFM）表征揭示了在不同蛋白浓度条件下，GSTK77C与GMP4M相互作用所形成的丰富多样的纳米结构。当蛋白浓度处于1 μM的低浓度水平时，组装体主要呈现为单根纳米线；在10 μM的中等浓度下，组装体则转变为纳米环结构；而在100 μM的高浓度条件下，组装体进一步演化为复杂的纳米分支结构。这些结果清晰地表明，通过精准调控蛋白浓度以及效应分子的比例，能够实现对组装体形态的高度精确控制。这种多模态组装体的形成不仅凸显了系统的动态性和可调节性，还为后续探索其在细胞内抗氧化功能调控中的潜在应用奠定了坚实的结构基础。

研究发现，组装体的酶活性能够依据内源性谷胱甘肽（GSH）的浓度实现“开/关”调控。当GSH浓度较低时，GMP4M会占据GST的活性口袋，致使酶活性被抑制；而当GSH浓度较高时，GSH与GMP4M竞争结合位点，促使组装体解离，进而恢复酶活性。此外，组装体在室温条件下保存30天后，仍能保持86.7%的酶活性，相比之下，GSTK77C单体的活性仅保留了21.7%。圆二色光谱（CD）检测结果显示，组装体在储存30天后仍维持其初始的二级结构，而单体的二级结构在储存15天后便开始出现变化。这些结果表明，基于酶 - 底物相互作用形成的组装体不仅展现出显著的动态可调节性，还具备出色的环境适应性和长期稳定性，为后续的生物医学应用奠定了坚实基础。

揭示了GSTK77C组装体在细胞内的抗氧化与解毒功能。研究表明，GSTK77C组装体借助内源性GSH的调控，实现酶活性的“开启”与“关闭”，进而在细胞内发挥抗氧化及解毒作用。在H₂O₂诱导的氧化损伤模型中，GSTK77C组装体显著降低了细胞凋亡率，有效保护细胞免受氧化损伤。此外，在CDNB诱导的急性毒性模型以及丙烯酰胺诱导的慢性毒性模型中，GSTK77C组装体也表现出良好的解毒效果。然而，经过戊二醛交联的GSTK77C组装体因无法解组装恢复酶活性，未能实现解毒功能。这些结果进一步证实了组装体的动态解组装过程在细胞内抗氧化和解毒功能中的关键作用，为开发新型生物医学干预策略提供了有力支持。本文的核心内容是通过酶-底物相互作用设计了一种动态超分子蛋白组装体，用于细胞内的抗氧化调节。研究团队以谷胱甘肽S转移酶为模型蛋白，通过引入半胱氨酸突变（GSTK77C）,并设计效应分子GMP4M，实现了基于酶-底物相互作用的蛋白组装。该系统能够形成多种形态的纳米结构，包括纳米线、纳米环、纳米分支和纳米扭曲结构，并且其酶活性可以通过内源性谷胱甘肽进行可切换的“开/关”调控。

该论文第一作者为于晓璇博士生（杭师大与西工大联培），通讯作者为杭州师范大学刘俊秋教授，王婷婷副教授，杭州师范大学为第一完成单位。吉林大学侯春喜副教授、西北工业大学葛岩副教授作为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金，科技部重点研发计划等项目的资助与支持。