近日，北京大学化学与分子工程学院吕华教授课题组与中山大学材料科学与工程学院陈永明教授、刘利新教授课题组合作，在Journal of the American Chemical Society发表题为“Random Hybrid Polypeptides Regulate Immune Signaling through Promiscuous and Dynamic Interaction Landscapes”（DOI：10.1021/jacs.6c17839）的论文。研究团队结合自动化高通量合成与机器学习辅助优化，通过调节随机杂化多肽的功能基团组成，获得了能够抑制CpG–Toll样受体9（TLR9）信号的随机杂化多肽IDP-IMP，并在关节炎大鼠模型中验证了其抗炎效果。
生物体系中，蛋白质的功能往往涉及多个位点之间的动态相互作用。其中，固有无序蛋白（IDPs）可以通过多个位点的弱相互作用参与生物学识别与信号调控。受其相互作用特点启发，研究团队在同一条多肽链上引入不同功能基团，以CpG–TLR9通路为研究对象，考察功能基团的组合及相对含量与免疫信号抑制活性之间的关系。
图1. 随机杂化多肽的设计思路及其对CpG–TLR9信号的调控示意图
基于吕华课题组前期建立的含硒聚多肽后修饰平台（Nat. Synth. 2023,2,515—526），并结合高通量合成与数据驱动筛选的研究基础（J. Am. Chem. Soc. 2025,147,21077—21088），作者在同一聚合物骨架上引入核苷、阳离子和阴离子等功能基团，构建组成可调的随机杂化多肽体系。通过自动化合成和细胞实验评价，研究团队筛选出与免疫信号抑制相关的功能基团，利用遗传算法和贝叶斯优化进一步探索组成空间。与随机采样相比，两种算法推荐的候选中活性材料的比例更高。经多轮筛选与独立重新合成验证，研究者最终获得IDP-IMP，其中核苷、阳离子和阴离子修饰基的比例约为50%、33%和17%。
研究者对IDP-IMP进行组分删减后发现，去除核苷或阳离子组分会明显降低抑制活性，而去除阴离子组分后，材料仍保持较强活性，但细胞相容性下降。这些结果表明，随机杂化多肽的功能并非由某一种单独组分决定，不同功能基团的组合及其相对比例会共同影响材料的免疫调控性能。IDP-IMP能够降低CpG诱导的NF-κB信号，并减少IL-6和TNF-α等炎症因子的分泌，同时表现出较低的细胞毒性。
图2. 数据驱动的组成优化与功能评价。（a）研究流程；（b）八种修饰基及组成空间；（c）不同算法的迭代筛选结果；（d）NF-κB抑制活性；（e）细胞活力
进一步研究发现，核酸结合能力并不能单独预测材料的信号抑制效果。阳离子均聚物对CpG的结合最强，却未表现出更强的抑制活性，且伴随更明显的细胞损伤。相比之下，IDP-IMP对CpG的结合程度适中，蛋白下拉实验也支持其与TLR9存在关联。细胞成像显示，IDP-IMP处理后，CpG仍可被细胞摄取，但胞内CpG与TLR9的共定位减少。分子模拟也显示，在所比较的材料中，IDP-IMP与CpG及TLR9的计算相互作用均非最强。这些结果提示，其信号调控作用不能简单归因于对核酸的强结合，还需考虑与受体的相互作用及胞内过程。
研究团队随后在胶原诱导的关节炎大鼠模型中评价了IDP-IMP的抗炎效果。给药后，大鼠关节肿胀减轻，关节炎评分降低，滑膜增生、炎症浸润和组织损伤得到改善，血清及关节组织中的相关炎症因子水平也随之下降。在所测试条件下，重复给药未引起可检测的体重及肝肾功能指标变化。
综上，该研究将随机杂化多肽的组成设计与高通量实验、算法辅助优化相结合，获得了兼顾免疫信号抑制活性与细胞相容性的IDP-IMP，并在关节炎大鼠模型中验证了其抗炎效果。结合组分删减、分子相互作用及细胞成像研究，作者发现，不同功能基团的组合及相对组成会影响材料的生物学活性，单一的核酸结合强度不足以解释其信号抑制效果。该项工作为通过高分子组成设计调控免疫信号提供了实验依据，也为进一步研究材料与核酸、受体之间的相互作用及其胞内行为提供了材料体系。
吕华、陈永明、刘利新、吕华课题组已毕业博士生周海森博士为论文共同通讯作者，陈浩林博士和周海森博士为共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金（22331002、22125101、W2512028）、北京市科学技术委员会项目（Z220023）、生物药制备与递送全国重点实验室开放基金（2023KF-01）、新发突发与重大传染病防控国家科技重大专项（2025ZD01904000）及北京大学博雅博士后项目的资助，并得到了北京人工智能科学研究院、北京大学及中山大学分析测试中心的大力支持。
来源：北京大学
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