重新设计由小分子调控的蛋白质寡聚体

《SCIENCE》：De novo design of small molecule–regulated protein oligomers

小分子阿曼汀调控的蛋白质多聚体设计及其在细胞和动物模型中的应用

　　

编辑总结

控制蛋白质之间的相互作用是实现合成生物学和细胞工程概念的基础。Jin等人设计了一种小型螺旋蛋白，该蛋白在存在小分子药物金刚烷胺的情况下能够选择性地形成同三聚体结构。该系统可以与下游效应器结合，以控制细胞内的过程。通过修改设计，这种同三聚体被转化为异三聚体，在细胞和小鼠中均表现出功能。——Michael A Funk

结构化摘要

引言

小分子调控的蛋白质寡聚化提供了一种强大的、剂量和时间依赖性的方法，通过将响应刺激的蛋白质与目标蛋白质基因融合，并利用特定配体调节它们的空间接近性来控制多种生物过程。尽管已经发展了30多年，但小分子响应的寡聚化系统仍然有限。此外，这些系统几乎仅限于二聚化（化学诱导的二聚化），这限制了它们在需要多个蛋白质组分组装的生物过程中的应用。此外，现有系统面临几个挑战，包括调控蛋白质的特异性较低——可能导致与天然细胞途径的交叉作用——以及诱导剂药代动力学的不足，这阻碍了它们的转化应用。因此，对于细胞工程和治疗开发来说，需要更多种类的小分子响应蛋白质寡聚体。

研究背景

之前的设计努力已经成功开发出响应配体的系统，但这些方法依赖于现有的蛋白质-蛋白质或蛋白质-配体结构信息，并且仍然局限于异三聚体结构。我们试图开发一种完全从头计算的途径，从单体蛋白质构建块开始，设计出超越二聚化限制的响应配体的寡聚体。利用对称结构的优势，我们以FDA批准的药物金刚烷胺为例，设计了受金刚烷胺调控的同三聚体。其良好的药代动力学特性和已建立的安全性使其具有较高的转化潜力。此外，对称设计的可扩展性使得可以直接适应不对称结构，为开发具有多种配置的金刚烷胺响应蛋白质提供了可能，从而实现对各种生物过程的需求驱动控制。

结果

我们开发了一种“对接同时结合”的方法来设计由小分子配体调控的蛋白质同寡聚体。这种方法在对接过程中同时优化了蛋白质-蛋白质和蛋白质-配体之间的相互作用，使得可以直接在蛋白质-蛋白质界面创建一个或多个配体结合口袋。我们成功设计了结合单个金刚烷胺分子（MAITs）的同三聚体，这些同三聚体表现出较弱的配体响应性；同时也设计了结合两个金刚烷胺分子（dAITs）的异三聚体，显示出显著增强的响应性。利用这些同三聚体的可诱导性和多价性，我们开发了单组分、依赖三聚化的转录激活系统和可逆的蛋白质凝聚系统，展示了其广泛的功能用途。我们还通过工程化从原始同三聚体结构衍生的金刚烷胺响应异三聚体（dAIDs）和异三聚体，进一步展示了我们平台的扩展性。优化的dAID系统实现了对蛋白质定位和基因表达的精确时空控制。关键的是，利用金刚烷胺的口服生物利用度，我们通过口服给药实现了小鼠中基因表达的非侵入性、剂量依赖性控制，突显了该系统在生物医学应用中的巨大潜力。

结论

我们提出了一种强大的计算方法，用于高精度和可调响应性地设计小分子调控的蛋白质寡聚体。我们的方法能够创建受金刚烷胺调控的同三聚体、异三聚体等，并在细胞和动物模型中进行了验证。我们的蛋白质组分体积小（约65个氨基酸），并且使用的是FDA批准的可口服小分子，使得该系统非常适合转化应用。我们认为，我们的方法为开发下一代化学诱导的蛋白质组装工具开辟了新途径，这些工具在生物技术和基于人类细胞的疗法中具有广泛的应用前景。

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设计用于控制多种生物过程的金刚烷胺调控蛋白质寡聚体。

我们的“对接同时结合”方法生成的蛋白质在缺乏金刚烷胺时以单体形式存在，而在金刚烷胺结合时组装成同三聚体、异三聚体或异四聚体。这些受金刚烷胺调控的蛋白质寡聚体能够控制多种生物过程，包括基因表达以生成目标蛋白质（POI）、可逆的凝聚体形成和蛋白质定位。[使用BioRender.com创建的示意图]

摘要

小分子调控的蛋白质寡聚化通过高时间精度控制蛋白质之间的接近性，为操纵生物过程提供了强大机制。然而，这样的系统在自然界中非常罕见，对于从头设计来说仍然是一个重大挑战。在这项工作中，我们描述了一种计算方法，用于设计由具有匹配对称性的小分子配体调控的蛋白质同寡聚体。我们设计了受FDA批准的药物金刚烷胺调控的同三聚体，并进一步设计了响应金刚烷胺的异三聚体和异四聚体。生物物理特性确认了它们依赖于金刚烷胺的组装，其晶体结构与设计模型高度吻合。我们证明了它们在控制蛋白质定位、无膜凝聚体形成和基因表达方面的广泛应用性。我们的方法为设计小分子响应蛋白质开辟了新途径，并扩展了用于操纵复杂生物过程的化学遗传学工具箱。