通过结构引导工程改变豆科凝集素FRIL的碳水化合物结合特异性

豆类蛋白如何助力抗病毒

许多病毒通过识别细胞表面的特定糖类模式来附着到我们的细胞上。如果科学家能够控制这些“识糖”蛋白的行为，就可能阻断感染或开发更好的诊断工具。本研究聚焦于来自可食用水葫芦豆的糖结合蛋白FRIL，展示了研究人员如何对其重新编程，使其改变对哪类糖结构具有亲和力——这可能扩展其作为广谱抗病毒和生物医学工具的应用。

一种多才多艺的糖识别豆类蛋白

FRIL属于植物蛋白大家族——豆科凝集素，这类蛋白天然结合蛋白和细胞表面特定的糖类修饰。不同于许多主要偏爱简单“树状”甘露糖的相关凝集素，FRIL的特点是偏好更复杂的N-糖——这些分支糖链常常携带额外的基团，如岩藻糖和半乳糖。已证明FRIL可在培养中保护干细胞、减缓肿瘤中新生血管的生长，并阻断包括流感和SARS-CoV-2在内的病毒。这些特性使其成为工程改造的有吸引力候选，但在实验室内重现这种活性豆蛋白长期以来一直很困难。

将不活跃的实验室产物变成可用工具

当研究团队在哺乳动物细胞中生产FRIL时，该蛋白能正确折叠成四聚体结构，但几乎没有糖结合活性。通过冷冻电镜，他们发现原因：FRIL在一段短的连接区携带了自身的糖链，该糖链折回并塞入结合口袋，像内置的安全塞一样阻挡了外来糖的进入。使用能切割N-糖的酶去除这些糖后，他们“拔掉”了塞子，恢复了完全的活性。对相关凝集素前体proConA采用相同方法也有效，这表明可以在常规实验体系中普遍采用该策略来制备活性、可工程化的植物凝集素。

找到决定糖偏好的微小区域

得到活性FRIL后，研究者解析了蛋白与两种不同糖配体结合的高分辨率结构：一种是复杂N-糖的一小片段，另一种是高甘露糖链。这使他们能绘制出哪些氨基酸接触了糖的各个部分。一个灵活环区，称为B环，有几个位置特别突出。在结合复杂糖时，FRIL利用该环中相邻的两个残基与额外的岩藻糖、半乳糖和N-乙酰氨基葡萄糖单元形成紧密接触。当团队将这两个残基突变为更小的氨基酸时，FRIL并未丧失活性——而是丧失了选择性。经改变的蛋白现在对复杂糖和高甘露糖链均表现出强结合，这通过糖阵列和对经精确糖基化的流感蛋白进行的结合测试得到证实。

重编程FRIL以优先识别类似病毒的甘露糖斑块

在与经典凝集素康卡瓦林A（天然偏爱高甘露糖）进行结构比较的指导下，作者对B环进行了更广泛的重新设计，并同时改变了邻近的C环残基。这个被称为“FRIL-OMS”的突变体几乎完全改变了其糖类偏好：现在更偏好高甘露糖N-糖，而在很大程度上忽略了野生型FRIL偏好的复杂糖。新的冷冻电镜结构显示，重塑后的环封闭了复杂糖通过的通道，同时打开了一个可以容纳额外甘露糖分支的新口袋。在体外病毒测试中，FRIL-OMS在识别和中和表面蛋白被密集甘露糖斑块修饰的流感株方面表现出色——这是某些流行病毒的特征。

这对未来医学的重要性

这项工作表明，仅在一个小的表面环上进行少量精确改动，就能将凝集素对一种N-糖类型的偏好切换到另一种，同时保留其基本结构和安全特征。实际意义在于，科学家可以开始“调节”他们想要的糖靶——无论是捕获特定病毒、探测与癌症相关的糖型，还是设计新的诊断阵列。FRIL及其工程衍生物FRIL-OMS示范了如何将植物凝集素转变为可定制的、针对特定糖类的工具，未来可能帮助更早检测疾病或通过锁定病毒依赖的糖衣来阻断感染。

引用: Liu, YM., Nguyen, H.T.V., Chen, X. et al. Altering the carbohydrate-binding specificity of the legume lectin FRIL through structure-guided engineering. Nat Commun 17, 3528 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70188-7

关键词: 凝集素, 糖链, 蛋白工程, 抗病毒, 流感