1. Nature：設(shè)計的內(nèi)吞誘導(dǎo)蛋白降解靶標(biāo)并放大信號

內(nèi)吞作用和細(xì)胞表面受體的溶酶體運(yùn)輸可以通過內(nèi)源性配體觸發(fā)。治療方法如溶酶體靶向嵌合體1,2（LYTACs）和細(xì)胞因子受體靶向嵌合體3（KineTACs）利用這一點(diǎn)，通過將修改后的天然配體與目標(biāo)結(jié)合蛋白融合，來靶向特定蛋白質(zhì)進(jìn)行降解。盡管這些方法很強(qiáng)大，但它們可能受到與天然配體競爭的限制，以及化學(xué)修飾的要求，這些要求限制了遺傳編碼能力，并可能使制造過程復(fù)雜化，而且，更一般地說，可能沒有通過給定受體刺激內(nèi)吞作用的天然配體。

于此，華盛頓大學(xué)David Baker等人描述了針對內(nèi)吞觸發(fā)結(jié)合蛋白（EndoTags）的計算設(shè)計方法，這些方法克服了這些挑戰(zhàn)。

研究人員為胰島素樣生長因子2受體（IGF2R）和無唾液酸糖蛋白受體（ASGPR）、分選蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體提出了EndoTags，并展示了將這些標(biāo)簽與可溶性或跨膜目標(biāo)蛋白結(jié)合物融合，可以導(dǎo)致溶酶體運(yùn)輸和目標(biāo)降解。由于這些受體在不同組織中的分布不同，不同的EndoTags可以實(shí)現(xiàn)對不同組織的降解靶向。與PD-L1抗體融合的EndoTag在小鼠腫瘤模型中的療效顯著高于單獨(dú)的抗體。

EndoTags的模塊化和遺傳編碼能力實(shí)現(xiàn)了更高特異性靶向降解的AND門控制，以及從工程細(xì)胞中局部分泌降解劑。通過促進(jìn)內(nèi)吞作用，EndoTag融合通過近100倍的信號增強(qiáng)，通過工程配體-受體系統(tǒng)。EndoTags作為靶向降解誘導(dǎo)劑、內(nèi)吞依賴途徑的信號激活劑以及靶向抗體-藥物和抗體-RNA偶聯(lián)物的細(xì)胞攝取誘導(dǎo)劑具有相當(dāng)大的治療潛力。

參考文獻(xiàn)：

Huang, B., Abedi, M., Ahn, G. et al. Designed endocytosis-inducing proteins degrade targets and amplify signals. Nature (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07948-2

2. Nature：使用深度學(xué)習(xí)從頭設(shè)計螢光素酶

熒光素酶作為分子探針的開發(fā)落后于發(fā)達(dá)的熒光蛋白工具包，原因有很多：（i）很少發(fā)現(xiàn)天然熒光素素酶；（ii）許多已鑒定的那些需要多個二硫鍵來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此容易在哺乳動物細(xì)胞中發(fā)生錯誤折疊；（iii）大多數(shù)天然螢光素酶不識別具有更理想的光物理性質(zhì)的合成螢光素；（iv）使用相互正交的熒光素酶-熒光素對并行進(jìn)行多個過程的多重成像受到天然熒光素酶底物特異性低的限制。

為了克服這些局限性，華盛頓大學(xué)David Baker、Andy Hsien-Wei Yeh等人試圖使用基于“family-wide hallucination”方法從頭蛋白質(zhì)設(shè)計來產(chǎn)生小的、高度穩(wěn)定的、在細(xì)胞中表達(dá)良好的、對一種底物具有特異性且不需要輔因子發(fā)揮作用的熒光素酶。研究人員選擇了一種合成的熒光素二苯噻嗪（DTZ）作為靶底物，因為它具有高量子產(chǎn)率、紅移發(fā)射、有利的體內(nèi)藥代動力學(xué)以及缺乏發(fā)光所需的輔因子。

Yeh, A.HW., Norn, C., Kipnis, Y. et al. De novo design of luciferases using deep learning. Nature 614, 774–780 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05696-3

3. Nature Nanotechnology：pH響應(yīng)自組裝螺旋蛋白絲的從頭設(shè)計

華盛頓大學(xué)David Baker、Hao Shen等研究人員描述了一種全新的pH響應(yīng)性蛋白纖維的設(shè)計。這些纖維由含有六個或九個埋藏組氨酸殘基的亞基組成，在中性pH下組裝成微米尺度的有序纖維。通過冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)確定了優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)，其與計算設(shè)計模型幾乎一致，無論是亞基內(nèi)部幾何形狀還是亞基在纖維中的堆積方式。

研究人員通過計算設(shè)計方法成功創(chuàng)造了能夠在特定pH變化下自組裝和解組裝的蛋白纖維。他們設(shè)計了含有多個埋藏組氨酸殘基的亞基，這些殘基在pH變化時改變其質(zhì)子化狀態(tài)，從而觸發(fā)纖維的組裝和解組裝。通過篩選和表達(dá)18個不同的設(shè)計，研究人員發(fā)現(xiàn)DpHF7和DpHF18能夠在降低pH值時解組裝，并在pH值回升時重新組裝，展示了對pH變化的敏感和可調(diào)節(jié)的響應(yīng)性。

Shen, H., Lynch, E.M., Akkineni, S. et al. De novo design of pH-responsive self-assembling helical protein filaments. Nat. Nanotechnol. (2024).

https://doi.org/10.1038/s41565-024-01641-1

4. Nature Biotechnology：新型生物傳感器！

為了開發(fā)內(nèi)源性活性Ras的傳感器，華盛頓大學(xué)David Baker、Dustin J. Maly、Jason Z. Zhang等研究人員使用了新的傳感器支架和設(shè)計方法。

對于傳感器支架，研究人員使用了從頭蛋白質(zhì)開關(guān)LOCKR（閂鎖正交籠鍵蛋白質(zhì)）。LOCKR與天然蛋白質(zhì)沒有序列或結(jié)構(gòu)相似性。此外，它的切換行為是清晰的，并且由于它的正交性，它可以在不影響傳感器功能的情況下發(fā)生變化。

對于設(shè)計方法，研究人員使用基于Rosetta的蛋白質(zhì)設(shè)計算法和AlphaFold結(jié)構(gòu)預(yù)測來調(diào)整LOCKR的切換（從閉合的、自動抑制的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镽as-GTP依賴的開放狀態(tài)，其中讀出結(jié)構(gòu)域接近），以匹配內(nèi)源性活性Ras的生理相關(guān)濃度范圍。利用這些策略，研究人員開發(fā)了兩種傳感器：一種是基于熒光的傳感器，該傳感器基于距離依賴性F?rster共振能量轉(zhuǎn)移的變化來測量Ras的活性（命名為Ras-LOCKR-S），另一種是通過生物素化活性Ras周圍的附近蛋白質(zhì)來表征Ras環(huán)境的基于分裂鄰近標(biāo)記器的傳感器（命名為Ras-LOCKR-PL）。這些傳感器足夠靈敏以檢測內(nèi)源性活性Ras，與活細(xì)胞兼容以使Ras活性能夠隨時間測量，并且可以定位于不同的細(xì)胞區(qū)室以使Ras-GTP能夠以亞細(xì)胞分辨率檢測。

Zhang, J.Z., Nguyen, W.H., Greenwood, N. et al. Computationally designed sensors detect endogenous Ras activity and signaling effectors at subcellular resolution. Nat Biotechnol (2024).

https://doi.org/10.1038/s41587-023-02107-w

5. Nature Chemistry：由可延伸蛋白質(zhì)復(fù)合物制成的精確圖案化納米纖維

具有環(huán)狀和超螺旋對稱軸的分子系統(tǒng)在材料設(shè)計方面具有巨大優(yōu)勢，因為它們可以通過改變組成單體的長度來延長或縮短。在蛋白質(zhì)中，α螺旋盤繞線圈具有對稱、可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)，但其受到螺旋原聚體相對固定的幾何形狀和柔性的限制。在這里，華盛頓大學(xué)David Baker報道了由可延伸蛋白質(zhì)復(fù)合物制成的精確圖案化納米纖維。

作者描述了一種產(chǎn)生具有重合C₂至C₈和超螺旋對稱軸的模塊化和剛性重復(fù)蛋白質(zhì)低聚物的方法，該低聚物可以通過重復(fù)傳播進(jìn)行擴(kuò)展。

在這些構(gòu)建塊中，作者發(fā)現(xiàn)可以通過引入親水性表面片段來系統(tǒng)設(shè)計各種無界纖維，從而迫使單體發(fā)生交錯。這種纖維的幾何形狀可以通過改變單體中重復(fù)單元的數(shù)量和親水性片段的位置來精確調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

Neville P. Bethel et.al Precisely patterned nanofibres made from extendable protein multiplexes Nature Chemistry 2023

DOI: 10.1038/s41557-023-01314-x

https://doi.org/10.1038/s41557-023-01314-x

6. Nature Materials：三維蛋白質(zhì)晶體的精確計算設(shè)計

通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)界面上精確設(shè)計的側(cè)鏈-側(cè)鏈相互作用來編程蛋白質(zhì)結(jié)晶極具挑戰(zhàn)性。在這里，華盛頓大學(xué)David Baker開發(fā)了一種通用的計算方法，用于以原子精度設(shè)計具有預(yù)先指定的晶格結(jié)構(gòu)的三維蛋白質(zhì)晶體。

作者設(shè)計了三對低聚物，它們可以單獨(dú)純化，混合后自發(fā)地自組裝成>100?μm三維晶體。這些晶體的結(jié)構(gòu)與計算設(shè)計模型幾乎相同，在整體結(jié)構(gòu)和特定的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用方面都非常對應(yīng)。

晶體晶胞的尺寸可以被系統(tǒng)地重新設(shè)計，同時保持空間群對稱性和整體結(jié)構(gòu)，晶體具有極高的多孔性和高度穩(wěn)定性。該方法能夠高精度地進(jìn)行蛋白質(zhì)晶體的計算設(shè)計，所設(shè)計的蛋白質(zhì)晶體在其初級序列中編碼了結(jié)構(gòu)和組裝信息，為生物材料工程提供了強(qiáng)大的平臺。

參考文獻(xiàn)：

Zhe Li et.al Accurate computational design of three-dimensional protein crystals Nature Materials 2023

DOI: 10.1038/s41563-023-01683-1

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01683-1

7. Science：可靈活設(shè)計的對稱性蛋白質(zhì)組裝

幾乎在所有的生物過程中，環(huán)狀蛋白質(zhì)低聚物都起著關(guān)鍵性的作用，它們占蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（PDB）中所有解析結(jié)構(gòu)的近30%。環(huán)狀蛋白質(zhì)低聚物具有較為廣泛的應(yīng)用，從小分子結(jié)合和催化到納米級組裝的構(gòu)建等。自蛋白質(zhì)設(shè)計領(lǐng)域取得突破以來，這種環(huán)狀蛋白結(jié)構(gòu)的自主設(shè)計一直備受關(guān)注，然而目前的方法均需要事先對單體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范化，除了參數(shù)化設(shè)計的螺旋束外，還涉及將先前表征的單體剛性對接到高階對稱結(jié)構(gòu)中，然后才能進(jìn)行界面優(yōu)化，以將低能量傳遞給組裝狀態(tài)。近年來，深度學(xué)習(xí)的方法為進(jìn)一步廣泛探索天然蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)之外的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了極大空間。

最近，來自華盛頓大學(xué)生物化學(xué)系的D. Baker等人使用深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)來生成范圍極廣的對稱性蛋白質(zhì)同源寡聚體，且只需指定原聚體的數(shù)量和原聚體長度即可實(shí)現(xiàn)。

該研究設(shè)計了七種晶體結(jié)構(gòu)、以及三種具有1550個殘基和C33對稱性的巨型納米環(huán)（10 nm）的低溫電子顯微鏡結(jié)構(gòu)均與計算模型非常相似（中位均方根偏差：0.6埃）；

研究者得到的所有這些環(huán)形蛋白組裝體都與現(xiàn)有已知的的結(jié)構(gòu)有較大不同，該結(jié)果表面通過深度學(xué)習(xí)可以為生成具有豐富結(jié)構(gòu)的新蛋白質(zhì)組裝體或納米機(jī)器結(jié)構(gòu)提供可能。

Baker D., et al. Hallucinating symmetric protein assemblies. Science. (2022).

DOI: 10.1126/science.add1964

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add1964

8. Science：通過隱式負(fù)設(shè)計生成可重構(gòu)的不對稱蛋白質(zhì)組件

經(jīng)歷亞基交換的不對稱多蛋白復(fù)合物在生物學(xué)中發(fā)揮著核心作用，但也給設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)，因為這些組分不僅必須包含能夠?qū)崿F(xiàn)可逆結(jié)合的界面，而且還必須在隔離時保持穩(wěn)定和良好的性能。有鑒于此，美國華盛頓大學(xué)的David Baker等研究人員，通過隱式負(fù)設(shè)計生成可重構(gòu)的不對稱蛋白質(zhì)組件。

研究人員使用隱式負(fù)設(shè)計來生成可以組裝成多種復(fù)合物的 β 折疊介導(dǎo)的異二聚體。

這些設(shè)計是穩(wěn)定的、折疊的、可單獨(dú)溶解的，在混合時能快速組裝，并且晶體結(jié)構(gòu)接近計算模型。

研究人員構(gòu)建了具有多達(dá)六種不同組分的線性排列的異質(zhì)低聚物，支化的異質(zhì)低聚物，閉合的 C4 對稱雙組分環(huán)，以及組裝在環(huán)狀同質(zhì)低聚物中心樞紐上的異質(zhì)低聚物，并證明這種復(fù)合物可以通過亞基交換重新配置。

本文研究的方法為設(shè)計不對稱的可重構(gòu)蛋白質(zhì)系統(tǒng)提供了一般的路線。

參考文獻(xiàn)：

Danny D. Sahtoe, et al. Reconfigurable asymmetric protein assemblies through implicit negative design. Science, 2022.

DOI：10.1126/science.abj7662

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj7662

9. Nature：有利于簡化蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白的設(shè)計過程的新方法

除了目標(biāo)三維結(jié)構(gòu)之外，不使用其他信息設(shè)計與目標(biāo)蛋白表面特定位點(diǎn)結(jié)合的蛋白質(zhì)仍具有挑戰(zhàn)性。有鑒于此，美國華盛頓大學(xué)的David Baker等研究人員，僅使用目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白。

研究人員提出了一種解決蛋白設(shè)計的方案，首先對蛋白質(zhì)表面選定區(qū)域可能結(jié)合模式的大空間進(jìn)行廣泛探索，然后在最有希望的結(jié)合模式附近加強(qiáng)搜索。研究人員通過從頭設(shè)計將蛋白質(zhì)與12種不同形狀和表面特性的蛋白質(zhì)靶標(biāo)結(jié)合，證明了其具有廣泛的適用性。

生物物理特性表明，所有小于65個氨基酸的結(jié)合劑是超穩(wěn)定的，并且經(jīng)過實(shí)驗優(yōu)化后，它們可與靶標(biāo)蛋白以納摩爾到皮摩爾的親和力結(jié)合。研究人員成功解析了五種結(jié)合劑-靶標(biāo)配合物的晶體結(jié)構(gòu)，這五種結(jié)構(gòu)都非常接近相應(yīng)的計算設(shè)計模型。

近50萬個計算設(shè)計和數(shù)十萬個點(diǎn)突變體的實(shí)驗數(shù)據(jù)提供了有關(guān)該方法優(yōu)勢、局限性以及對目前蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用理解的詳細(xì)反饋，并可用于對這兩種方法進(jìn)行改進(jìn)。

本文研究的方法可對治療和診斷應(yīng)用中各種蛋白質(zhì)上的感興趣位點(diǎn)進(jìn)行針對性設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

Longxing Cao, et al. Design of protein binding proteins from target structure alone. Nature, 2022.

DOI：10.1038/s41586-022-04654-9

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04654-9