国产顶刊Vita：西湖大学党波波团队发现“双手通用”的蛋白分子剪刀，用于开发新型ADC药物

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

在自然界中，蛋白质几乎全部由L-型氨基酸构成，从而进化出 L-型（左手型）结构，它们优先与其他 L-型蛋白质进行同手性相互作用，而避免与其 D-型（右手型）对映体结合。相应的，天然蛋白酶通常被认为只能识别和切割 L-型多肽，而对其镜像分子 D-型多肽“视而不见”。这种 L-型蛋白酶只认 L-型底物的特性，长期以来被视为分子生物学的一条铁律。

2026 年 4 月 20 日，西湖大学党波波/李恬团队联合黄晶团队（李梦娇、陈凯为共同第一作者），在国产期刊Vita上发表了题为：Transcending Stereochemical Boundaries: Ambidextrous Cleavage of D- and L-Peptide Enantiomers by Natural Eukaryotic Proteases 的研究论文。

该研究突破蛋白质同手性识别这一传统认识原则，首次发现几种天然真核蛋白酶同时具有“同手性”和“异手性”识别催化能力，能够高效切割相同序列的 L-型及 D-型多肽底物。基于这一发现，研究团队成功将组织蛋白酶 B 的 D-型多肽底物开发为一种高效的可切割连接子，用于抗体-药物偶联物（ADC），并在体外和体内实验中均展现出显著的抗肿瘤效果。

这一发现揭示了天然真核蛋白酶具有此前未被认识到的底物识别广度，不仅拓展了关于蛋白酶特异性的理论框架，也为治疗性设计开辟了新途径。

传统认知

生命世界存在着一种深刻的不对称性。从氨基酸到糖类，生物分子通常只以两种可能的镜像形式（即对映异构体）中的一种存在。天然蛋白质和多肽几乎完全由L-型氨基酸组成。

这种“同手性”是分子间精准识别的基础。可以理解为左手手套只能舒服地戴在左手上。同样，天然蛋白酶（负责切割蛋白质的酶）被公认为只能高效水解由 L-型氨基酸组成的多肽链（L-型多肽），而对由 D-型氨基酸组成的镜像多肽链（D-型多肽）无能为力。

正是基于这种特性，D-型多肽和蛋白质在药物开发中展现出巨大潜力。由于体内蛋白酶难以降解它们，D-型多肽或蛋白药物往往具有极高的代谢稳定性和低免疫原性，是设计长效疗法的理想候选。

然而，这种特性也引发担忧：如果存在完全由 D-型分子构成的“镜像生命”，它们可能无法被我们的免疫系统有效识别和清除，从而构成潜在的生物安全风险。

意外发现

西湖大学党波波团队从一个简单却颠覆性的问题出发：天然真核生物蛋白酶真的完全不能切割 D-型多肽吗？

为了寻找答案，他们设计并构建了一个组合 D-型多肽文库，系统性地筛选了多种真核蛋白酶。

结果显示，在筛选的十种蛋白酶中，有三种展现出了切割特定 D-型多肽序列的能力。这三种蛋白酶分别是：木瓜蛋白酶（Papain）、人组织蛋白酶 B（hCATB）和小鼠羧酸酯酶 1c（mCES1c）。

更令人惊讶的是，这些蛋白酶不仅能切割 D-型多肽，也能同样高效地切割具有相同氨基酸序列的 L-型多肽。这意味着，这些酶是真正“双手通用”的——同时具有“同手性”和“异手性”识别催化能力，能够以相近的高效催化效率，同时切割相同序列的 L-型和 D-型多肽底物。

蛋白质的同手性和异手性识别

高效催化

为了探寻这些“双手通用”蛋白酶的工作机制，研究团队进行了深入分析。他们发现，与识别 L-型多肽时相对宽松的序列要求不同，这些蛋白酶对 D-型多肽的识别表现出高度序列特异性。

只有非常优化的 D-型多肽序列才能被高效切割。例如，通过系统优化，研究团队为人组织蛋白酶 B 找到了最优 D-型多肽底物“-rkyyG/w-”（小写字母代表 D-型氨基酸）。催化效率参数 kcat/Km 达到了 4.6×104 M-1 s-1

这个效率是什么概念？它完全可以与一些广泛使用的、专一性切割 L-型多肽的天然蛋白酶（例如 TEV 蛋白酶、HRV3C 蛋白酶）相媲美，甚至更优。这表明，这种“双手通用”的催化能力并非弱效的副反应，而是一种高效、特异的酶学功能。

结构奥秘

“双手通用”的分子基础是什么？为了从原子层面揭示奥秘，研究团队解析了人组织蛋白酶 B 分别与 D-型多肽和 L-型多肽抑制剂结合的三维结构。

结构解析显示，同一种酶采用了截然不同的结合模式来容纳不同手性的底物。D-型多肽和 L-型多肽结合在活性腔沟的不同侧面，并与酶形成不同的氢键网络。

有趣的是，当 L-型多肽结合时，蛋白酶的一个柔性环（Thr120-Gly123）会发生明显的构象变化，为底物“腾出空间”。这种结构可塑性，可能是蛋白酶能够打破手性壁垒、实现“双手通用”的关键。

分子动力学模拟进一步证实，D-型多肽和 L-型多肽在蛋白酶的结合口袋中能各自找到稳定的结合姿态，但相互之间的结合模式并不对称。这表明，手性识别是高度系统特异性的，取决于酶口袋的可塑性与底物构象柔性之间的精妙平衡。

应用突破

基础研究的突破，迅速导向了具有重大价值的应用。人组织蛋白酶 B（hCATB）在许多肿瘤细胞中过表达，其多肽底物已被广泛用于设计抗体-药物偶联药物（ADC）中的“可切割连接子”。

ADC 如同一枚“生物导弹”，由靶向癌细胞的抗体、细胞毒性载荷以及连接二者的“连接子”构成。在肿瘤微环境中，组织蛋白酶 B 切割连接子，从而精准释放 ADC 携带的毒素，杀死癌细胞。

在这项新研究中，研究团队将优化的 D-型多肽序列“-rkyyG-”开发为新型 ADC 连接子。与目前临床常用的 L-型多肽连接子相比，这个 D-型多肽连接子展现出多重优势——

首先，D-型结构使其在血液中极其稳定，避免了药物在到达肿瘤前过早释放，降低了全身毒性。实验证实，在小鼠血浆中，基于 D-型多肽的 ADC 稳定性远优于传统连接子的 ADC。

其次，该连接子含有带正电荷的氨基酸，水溶性更好，有助于改善 ADC 的理化性质。

最后，也是最重要的，它表现出极高的蛋白酶特异性，只被人组织蛋白酶 B（hCATB）高效切割，而对其他结构相似的组织蛋白酶几乎无反应。这意味着更精准的肿瘤内药物释放和更小的脱靶毒性风险。

人组织蛋白酶 B（hCATB）的 D 型多肽底物被开发为 ADC 药物的可裂解连接子

在细胞实验和动物模型中，搭载了这种新型 D-型多肽连接子的 ADC 药物展现了强大的抗肿瘤活性，且在体内药效实验中表现优于基于传统连接子 ADC，这很可能归功于其卓越的血浆稳定性。

这项研究从根本上拓宽了我们对蛋白酶特异性的理解框架。传统上认为严格受手性约束的分子识别，在某些天然蛋白酶中展现出意想不到的灵活性。“双手通用”的催化能力可能根植于分子识别的原始起源，或作为潜在的进化能力被保留下来。这一发现提示，通过系统性筛选，可能会发现更多拥有此类隐藏能力的蛋白酶。

从应用角度看，这项研究药物研发打开了新大门。基于D-型多肽的分子，可以用于开发新一代蛋白酶抑制剂、活性探针、自组装材料，以及用于前体药物的高选择性可切割连接子，为精准治疗、诊断和分子工程学开辟了新机遇。

论文链接：
https://www.vita-journal.com/vita/EN/10.15302/vita.2026.03.0022