【原】Science | 以功能為核心的蛋白質設計

DrugAI 2022-04-19

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從頭設計可以在蛋白質中創(chuàng)建新型的穩(wěn)定折疊。但是，建立成功的功能仍然具有挑戰(zhàn)性。Che Yang等描述了一種自下而上的方法，該方法中，他們構思了功能性圖案周圍的結構，然后使用針對性篩選來優(yōu)化其組成。基于數千個設計圖，他們篩選了酵母文庫，其中大多數殘基限于設計中最常見的殘基，但關鍵核心殘基卻受到這些設計所限制的有限變異性。該方法使作者能夠發(fā)現(xiàn)五種折疊，這些折疊可容納四個不同的結合基序，包括顯示兩個基序的蛋白質。然后，他們構建了蛋白質，這些蛋白質可作為特定抗體表位的生物傳感器，而其他蛋白質則可作為配體來調節(jié)哺乳動物細胞中的合成受體。

Yang, C., Sesterhenn, F., Bonet, J. et al. Bottom-up de novo design of functional proteins with complex structural features. Nat Chem Biol (2021). https:///10.1038/s41589-020-00699-x

全新蛋白質設計已成為一種強大的方法，以擴大天然蛋白質的數目。以前的研究大多集中在計算模型的結構精度相對于實驗確定的結構和熱力學穩(wěn)定性的設計。相比之下，具有明確生化功能的全新蛋白質的設計則遠遠落后。盡管如此，迄今取得的成功表明，新設計具有改變生物學和生物技術多個領域的潛力，包括設計候選疫苗、基于蛋白質的先導藥物、抗病毒藥物、pH反應載體等。

設計功能蛋白的一種廣泛使用的方法是將功能位點從其原生背景移植到從天然蛋白庫或從新設計的結構中提取的異源蛋白上。通常，研究人員把這種兩步走的方法稱為 "自上而下 "的方法，即首先選擇或構建一個穩(wěn)定的、無功能的骨架，隨后將其作為已知功能基團的移植模板。

功能蛋白質設計的“自上而下”方法存在幾個重要限制。一個必要的先決條件是在自然庫中具有足夠的局部結構相似性以允許移植功能位點的模板結構。因此，除少數例外，移植已經在很大程度上僅限于在天然蛋白經常發(fā)現(xiàn)單一的，常規(guī)的二級結構。然而，大多數功能位點不包含在單一的，常規(guī)螺旋段，而是具有由整體蛋白質結構穩(wěn)定的多重和常不規(guī)則結構段組成的復雜的結構特征。同樣，大多數從頭蛋白質都具有高含量的規(guī)則二級結構，高接觸順序和最小環(huán)數。雖然這些蛋白質通常在熱力學上非常穩(wěn)定，但以“功能不可知”的方式設計的從頭蛋白質不太可能與不規(guī)則的多段功能基序具有足夠的局部結構相似性，從而使它們適合于接枝方法。

與這種“自上而下”的方法相反，“自下而上”策略考慮了給定功能性主題的局部結構和全局拓撲要求，無論其復雜性如何，并構建了支持輔助結構元素（SSE）的方法穩(wěn)定功能位點的天然結構。一些研究使用這樣的功能為中心的設計策略，但普及的方法，使結構不同的從頭量身定制功能的圖案一直缺乏蛋白質的系統(tǒng)化建設。

研究人員使用“自下而上”的設計方法解決了這一瓶頸，產生了五種蛋白質拓撲，這些拓撲經過定制以適應具有復雜結構特征的四個不同功能性基序。設計的蛋白質可充當基于生物發(fā)光共振能量轉移（BRET）的生物傳感器的組成部分，以檢測和量化表位特異性抗體，并作為觸發(fā)工程化哺乳動物受體信號傳導的配體。總體而言，在設計過程的早期階段嵌入功能性基序將允許在從頭蛋白質中編碼越來越復雜的功能，包括但不限于蛋白質-蛋白質和蛋白質-配體相互作用。