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Nature | 伪对称蛋白纳米笼的分层设计——成功设计出直高达96纳米的伪对称二十面体蛋白质笼

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-12-24 17:30

正文

撰文 | 染色体

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。

伪对称异质三聚体的设计

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。

可扩展伪对称纳米笼的设计与验证

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。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08360-6

制版人：十一

参考文献

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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