本文介绍了计算结构生物学中设计高亲和力和高特异性结合蛋白质的重大挑战及现有方法的局限性。针对此，来自美国华盛顿大学的研究团队开发了靶向扩散方法，用于设计此类蛋白质结合蛋白。该方法通过随机氨基酸云和目标条件扩散，生成与目标蛋白形状高度匹配的蛋白质结构，并使用ProteinMPNN模型设计氨基酸序列。虽然已有进展，但仍需进一步优化。研究展示了靶向扩散方法在蛋白质设计中的潜力，对于开发新型抗炎药物和癌症治疗激动剂具有重要意义。
计算结构生物学中长期以来面临的挑战是设计能够与目标蛋白高亲和力和高特异性结合的蛋白质，这在治疗、诊断等领域有重要意义。
现有的蛋白质设计方法通常依赖于预先存在的骨架集，存在形状匹配不足和接触表面积低等局限性，特别是对于表面相对平坦、缺乏凹槽的蛋白质目标效果不佳。
研究人员使用靶向扩散方法，通过随机氨基酸云和目标条件扩散，生成与目标蛋白形状高度匹配的蛋白质结构，并使用ProteinMPNN模型设计氨基酸序列。
研究人员使用部分扩散方法进一步优化了结合蛋白的亲和力，并成功将TNFR1结合蛋白的特异性切换到TNFR家族的其他成员。
研究人员设计的TNFR1结合蛋白具有作为药物的潜力，并且通过将OX40和4-1BB结合蛋白与设计的同源寡聚体融合，构建了具有不同价态和间距的可溶性信号分子，为癌症治疗提供了新的思路。
该研究展示了靶向扩散方法在蛋白质设计中的强大潜力，对于开发新型抗炎药物和癌症治疗激动剂具有重要意义，并推动了蛋白质设计领域的进步。
长期以来，设计能够与目标蛋白高亲和力和高特异性结合的蛋白质一直是计算结构生物学中的一个重大挑战，这在治疗、诊断等领域具有重要意义【1-2】。为了解决这个问题，现有的蛋白质设计方法通常依赖于预先存在的骨架集，这些骨架集可以是天然蛋白质或从头设计的蛋白质，它们具有明确的四级结构【3-4】。然而，传统方法存在一定的局限性。首先是形状匹配不足， 现有的蛋白质设计方法，如将理想化的65个氨基酸残基蛋白质骨架库进行对接并识别那些能够容纳最低能量结合相互作用的骨架，往往只能实现有限的形状匹配【5】。特别是对于表面相对平坦、缺乏凹槽的蛋白质目标，如肿瘤坏死因子受体1(TNFR1)等，这些方法的效果不佳。此外，接触表面积低。到目前为止，从头设计的结合蛋白的接触分子表面 (CMS) 比许多天然蛋白质复合物都要低。因此，急需开发新的方法来克服传统蛋白质设计方法的局限性，用于设计高亲和力和高特异性的蛋白质结合蛋白。近日，来自美国华盛顿大学西雅图分校生物化学系的David Baker研究团队在Science杂志上发表题为Target-conditioned diffusion generates potent TNFR superfamily antagonists and agonists的研究论文，该研究开发了一种名为靶向扩散（Target-conditioned diffusion）的新方法，用于设计高亲和力和高特异性的蛋白质结合蛋白。该方法克服了传统蛋白质设计方法的局限性。研究人员使用靶向扩散方法，从完全随机的氨基酸分布出发，在目标蛋白结构的存在下进行扩散，从而生成与目标蛋白形状高度匹配的结合蛋白。该方法的具体核心如下：首先是随机氨基酸云，研究人员在目标蛋白的结合位点附近放置随机分布的氨基酸云，云中的氨基酸数量可达120个。这种随机性可以打破传统的结构限制，为设计具有更大接触表面积的蛋白质结构提供可能性。其次是目标条件扩散，研究人员使用 RF扩散模型进行目标条件扩散，引导氨基酸云逐渐形成与目标蛋白形状互补的蛋白质结构。RF模型能够根据目标蛋白的结构信息，预测蛋白质结构的可能性，并逐步去除噪声，生成与目标蛋白形状高度匹配的蛋白质结构。最后，研究人员使用ProteinMPNN模型为生成的蛋白质结构设计氨基酸序列，确保蛋白质能够正确折叠并具有高亲和力。ProteinMPNN模型能够根据蛋白质结构的局部信息，预测氨基酸序列的可能性，并选择能够稳定蛋白质结构并增强其与目标蛋白结合能力的氨基酸序列。虽然靶向扩散方法能够生成高亲和力的结合蛋白，但仍有进一步提升的空间。研究人员使用部分扩散方法进一步优化了结合蛋白的亲和力。在生成的结合蛋白结构中加入部分噪声，使其发生轻微的变化。这种变化可以打破局部能量最小值，为蛋白质结构的进一步优化提供可能性。研究人员使用部分扩散方法成功地将结合蛋白的特异性切换到TNFR家族的其他成员，包括 TNFR2、OX40 和 4-1BB。研究人员将TNFR1结合蛋白放置到TNFR2、OX40和4-1BB的结构上，并进行部分扩散。这种重定向过程可以改变结合蛋白与目标蛋白的接触表面积和形状匹配度，从而实现特异性切换。此外，研究人员使用ProteinMPNN模型为重定向后的结合蛋白设计氨基酸序列。ProteinMPNN模型能够根据蛋白质结构的局部信息，预测氨基酸序列的可能性，并选择能够稳定蛋白质结构并增强其与目标蛋白结合能力的氨基酸序列。研究人员设计的TNFR1结合蛋白能够与TNF-α竞争性结合TNFR1，从而抑制TNF-α信号通路，减少炎症反应。这些结合蛋白具有热稳定性和低免疫原性，具有作为药物的潜力。例如，研究人员设计的TNFR1结合蛋白在95°C加热30分钟后仍保持功能，并且在小鼠血清中孵育2小时后也没有明显的降解。最后研究人员将OX40和4-1BB结合蛋白与设计的同源寡聚体融合，构建出具有不同价态和间距的可溶性信号分子。这种可溶性信号分子能够模拟天然配体与受体的相互作用，从而激活OX40和4-1BB信号通路，促进T细胞增殖和活化，具有作为癌症治疗的潜力。例如，OX40激动剂能够比天然配体更有效地激活OX40信号通路，从而增强T细胞的杀伤能力。对于那些需要拮抗作用而没有任何激动作用风险的治疗挑战，高亲和力单体结合剂可能比二价抗体具有优势，后者可能会二聚化靶受体并激活信号传导。TNF-α和TNFR是关键的药物靶点，因为这种相互作用在炎症性疾病中起着核心作用。目前的治疗主要针对配体TNF-α而不是TNFR1，以避免潜在的炎症反应激活，但结合TNF-α也会抑制通过TNFR2的潜在抗炎信号传导，这可能导致这类重要药物的不良副作用。TNFR1结合剂的超大界面，即使比天然界面大，尽管只有107个氨基酸长，也可能实现更强的皮摩尔级拮抗作用，并且小分子设计蛋白的高稳定性和低生产成本可能实现口服给药治疗肠道疾病。研究展示的4-1BB和OX40超强激动剂所示，高亲和力单体结合剂能够构建多种可溶性信号分子，提供比当前基于天然配体和交叉连接抗体的策略更强的控制力。总之，该研究展示了靶向扩散方法在蛋白质设计中的强大潜力，为设计针对具有挑战性靶点的结合蛋白提供了新的思路。该研究成果对于开发新型抗炎药物和癌症治疗激动剂具有重要意义，并推动了蛋白质设计领域的进步，标志着计算驱动蛋白质设计时代的到来。science.org/doi/10.1126/science.adp1779制版人：十一
1. T. Kortemme, Cell 187, 526–544 (2024).
2. A. Marchand, A. K. Van Hall-Beauvais, B. E. Correia, Curr. Opin. Struct. Biol. 74, 102370 (2022).
3. A. Chevalier et al., Nature 550, 74–79 (2017).
4. N. F. Polizzi, W. F. DeGrado, Science 369, 1227–1233 (2020).
5. L. Cao et al., Nature 605, 551–560 (2022).
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