主要观点总结
本文介绍了美国华盛顿大学蛋白质设计研究所的Neil P. King团队在Nature期刊发表的研究，该研究通过分层设计策略，成功构建了多种伪对称蛋白质纳米笼，显著拓展了自组装蛋白质结构的多样性。该研究打破了传统对称性设计的局限，为纳米材料的开发提供了新的视野，并在药物递送和疫苗开发领域具有广泛应用前景。
关键观点总结
关键观点1: 研究背景
染色体自组装蛋白质复合物在药物递送和疫苗开发等领域有广泛应用，但自然组件的局限性限制了其尺寸和复杂性。为了突破这一限制，研究人员采取了打破对称性的策略。
关键观点2: 研究内容
Neil P. King团队开发了一种分层计算方法，成功设计出更大、更复杂的蛋白质纳米笼，包括直径为49至96纳米的伪对称二十面体蛋白质笼，包含240、540和960个亚基。他们采取了四种方式来形成更大、更复杂的蛋白质组合，其中伪对称性和分层设计策略是关键。
关键观点3: 研究方法
研究人员以超嗜热细菌的同型三聚醛缩酶为基础，设计了伪对称异质三聚体，并利用Rosetta和生物信息学方法，通过引入破坏性和补偿性突变，恢复其稳定性。然后通过这些异质三聚体组装更大的伪对称材料。
关键观点4: 研究结果
研究人员成功生成了ABC异源三聚体以及异质三聚体纳米笼，并通过负染色电镜分析其形态。进一步的研究中，研究人员还成功生成了包含更多亚基的纳米笼，并在其表面加载SARS-CoV-2刺突蛋白的受体结合域，证明其作为疫苗载体的潜力。
关键观点5: 研究意义
该研究采用分层设计策略，成功构建了多种伪对称蛋白质纳米笼，显著拓展了自组装蛋白质结构的多样性，为纳米材料的开发提供了新的视野，并在药物递送和疫苗开发等领域具有广泛的应用前景。
正文
自组装蛋白质复合物是生命系统中的重要结构，广泛应用于药物递送和疫苗开发【1】。然而，自然组件的局限性使得这些复合物的尺寸和复杂性受到限制，最大的复合物通常仅包含120个亚基【2】。为了突破这一限制，设计打破对称性的策略成为关键。这种策略能够构建更复杂的蛋白质纳米材料，显著提升其在药物和疫苗领域的应用潜力【3】。2024年12月18日，来自美国华盛顿大学蛋白质设计研究所的Neil P. King团队在Nature期刊发表题为Hierarchical design of pseudosymmetric protein nanocages（伪对称蛋白纳米笼的分层设计）的文章。研究人员开发了一种分层计算方法，成功设计出直径达49至96纳米的伪对称二十面体蛋白质笼，包含240、540和960个亚基，创下了计算设计蛋白质组装体的新规模，极大拓展了自组装蛋白质结构的设计多样性。形成更大、更复杂蛋白质组合的路径主要包括四种方式：使用更大的亚基、设计不对称相互作用、利用准等效原理以及应用伪对称性。其中，伪对称性通过在结构上相似但功能不同的亚基或结构域组合，有效突破对称性限制，生成更复杂的组件。这种方法在病毒衣壳结构中常见，例如伪对称三聚体可以形成六边形晶格并构建大规模二十面体结构【4】。分层设计策略则进一步优化了这一过程，通过先设计伪对称低聚物，再将其用于更大组件的构建，既降低了设计复杂性，又提高了成功率，为开发大尺寸、复杂笼状蛋白质纳米材料提供了新思路。研究人员以超嗜热细菌Thermotoga maritima的同型三聚醛缩酶（PDB ID: 1WA3）为基础，设计了伪对称异质三聚体。他们利用Rosetta和生物信息学方法，通过引入破坏性和补偿性突变，打破同型三聚结构并恢复伪对称异质三聚体的稳定性。之后，研究人员首先尝试生成ABC异源三聚体。然而，实验中主要形成的是混合三聚体ABB和AAB。尽管未完全达到理想的三亚基结构，但生成的异三聚体仍表现出伪对称特性，并被成功应用于更大规模的伪对称材料设计中。研究人员通过与先前设计的I53-50五聚体混合，组装并纯化了异质三聚体纳米笼，验证其主链对称性和自组装能力。负染色电镜分析显示，这些纳米笼具有I53-50的已知形态，表明其具备设计更复杂伪对称结构的潜力。进一步研究中，研究人员以先前设计的 I3-01 单组分纳米笼为基础，设计了包含240个亚基的伪对称纳米笼 GI4-F7。该纳米笼通过特定突变和三聚体组装，展现出与设计模型高度一致的结构精确性。令人意外的是，研究人员还发现了一种新的540亚基纳米笼 GI9-F7，其复杂伪对称和准对称特性进一步扩展了设计的可能性。通过冷冻电镜分析，研究人员验证了这些纳米笼的结构与功能，并在其表面加载 SARS-CoV-2 刺突蛋白的受体结合域（RBD），证明其显著增强了B细胞的激活能力，展示出伪对称纳米笼作为疫苗载体的巨大潜力。此外，研究人员还探索了更大规模的纳米笼设计，成功生成包含960个亚基的伪对称纳米笼 GI16-F7。实验验证了其结构与模型的高度吻合，并通过调整三聚体比例实现了对纳米笼尺寸的精确控制。这一成果表明，伪对称设计方法不仅能够构建不同规模的纳米笼，还为基因治疗载体和疫苗支架的开发开辟了新的可能性。综上所述，该研究采用分层设计策略，成功构建了多种伪对称蛋白质纳米笼，打破了传统对称性设计的局限，显著拓展了自组装蛋白质结构的多样性，为纳米材料的开发提供了新的视野。https://doi.org/10.1038/s41586-024-08360-6制版人：十一
1. Douglas, T. & Young, M. Viruses: making friends with old foes. Science 312, 873-875 (2006).2. Bale, J. B. et al. Accurate design of megadalton-scale two-component icosahedral protein complexes. Science 353, 389-394 (2016).3. King, N. P. & Lai, Y.-T. Practical approaches to designing novel protein assemblies. Curr. Opin. Struct. Biol. 23, 632-638 (2013).4. De Colibus, L. et al. Assembly of complex viruses exemplified by a halophilic euryarchaeal virus. Nat. Commun. 10, 1456 (2019).
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