發(fā)表在Science上的一篇關(guān)于小分子結(jié)合蛋白的從頭設(shè)計(jì)的文章，通訊作者是加州大學(xué)舊金山分校心血管研究所藥物化學(xué)系的William F. DeGrado教授和NicholasF. Polizzi博士，他們課題組的主要研究方向是膜蛋白的結(jié)構(gòu)表征和從頭設(shè)計(jì)蛋白，以了解與人類疾病相關(guān)的生物學(xué)過(guò)程并開(kāi)發(fā)新的療法。
研究者們已經(jīng)可以從頭設(shè)計(jì)出以形狀選擇方式與剛性，扁平，疏水性染料或脂質(zhì)代謝物結(jié)合的蛋白，但從頭設(shè)計(jì)出結(jié)合由許多極性原子組成的柔性分子則仍然具有挑戰(zhàn)性。使用那些為了填充非極性蛋白質(zhì)核心而優(yōu)化的算法，會(huì)給設(shè)計(jì)結(jié)合親水性分子所需的極性腔帶來(lái)困難。因此，小分子結(jié)合蛋白的設(shè)計(jì)通常需要一次又一次的實(shí)驗(yàn)篩選來(lái)產(chǎn)生功能，而且大部分是從天然蛋白開(kāi)始而不是從頭開(kāi)始。
天然蛋白質(zhì)在結(jié)合高功能性的配體時(shí)，會(huì)首先產(chǎn)生在特定折疊范圍內(nèi)弱的結(jié)合片段的能力。為了模擬此過(guò)程，作者開(kāi)發(fā)了一個(gè)局部蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)單元vdM，該結(jié)構(gòu)單元將三級(jí)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵相互作用直接聯(lián)系起來(lái)，從而可以將蛋白質(zhì)折疊直接連接到統(tǒng)計(jì)學(xué)上青睞的化學(xué)基團(tuán)的結(jié)合模式。
具體來(lái)講，蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)依賴于內(nèi)部的側(cè)鏈以離散構(gòu)象（稱為rotamers，旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體）的最佳堆積。然而，配體結(jié)合蛋白的設(shè)計(jì)額外還需要側(cè)鏈與目標(biāo)小分子相互作用。以前的設(shè)計(jì)策略是將目標(biāo)配體在計(jì)算上附加到那些具有理想的相互作用幾何關(guān)系的rotamers上，僅對(duì)可能構(gòu)象空間（盡管可能有數(shù)十億個(gè)構(gòu)象組成）的一小部分進(jìn)行采樣來(lái)解決該問(wèn)題。這些策略很少能夠從最初的計(jì)算設(shè)計(jì)中提供亞毫摩爾結(jié)合力的結(jié)合物，因此后續(xù)步驟依賴于實(shí)驗(yàn)隨機(jī)突變和文庫(kù)篩選。
在本文中，作者定義了一個(gè)類似于rotamer的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)單元-van der Mer（vdM），該單元定義了配體中關(guān)鍵化學(xué)基團(tuán)相對(duì)于接觸殘基的骨架原子的位置。vdM是從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)非冗余集中收集的，通過(guò)（i）識(shí)別與特定化學(xué)基團(tuán)相互作用的某種類型的所有殘基，（ii）僅對(duì)主鏈和化學(xué)基團(tuán)的配位進(jìn)行成對(duì)疊加，以及（iii）以嚴(yán)格的均方根偏差（RMSD）cutoff進(jìn)行幾何聚類。
vdM會(huì)采樣化學(xué)基團(tuán)相對(duì)于骨架的位置，這些位置已通過(guò)實(shí)驗(yàn)支持能夠?qū)崿F(xiàn)良好的相互作用。這樣產(chǎn)生的vdMs顯示出對(duì)骨架?和ψ的依賴性，并捕獲了骨架和化學(xué)基團(tuán)位置的補(bǔ)償作用。因?yàn)闆](méi)有顯示考慮側(cè)鏈配位，單個(gè)簇還可能包含多個(gè)rotamer。與早期方法中使用的配體附加和反向rotamers不同，vdM可以源自與主鏈，側(cè)鏈或兩者都有的多價(jià)的相互作用。此外，可以將蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（PDB）中給定vdM的“流行程度”用作評(píng)分，這可以幫助自動(dòng)選擇結(jié)合位點(diǎn)殘基進(jìn)行設(shè)計(jì)。
作者開(kāi)發(fā)了一種搜索算法，稱為“結(jié)合位點(diǎn)收斂模體”（COMBS，Convergent Motifs for Binding Sites），以發(fā)現(xiàn)滿足這些條件的配體的有利的姿態(tài)。使用這一策略，作者在可進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的四螺旋束的骨架上采樣了vdM，從頭設(shè)計(jì)了六個(gè)蛋白來(lái)結(jié)合藥物阿哌沙班（apixaban），其中兩個(gè)有亞摩爾的結(jié)合親和力。X射線晶體學(xué)和突變證實(shí)了精確設(shè)計(jì)的空腔結(jié)構(gòu)，該空腔在藥物-蛋白質(zhì)復(fù)合物中形成了良好的相互作用。
文章作者：CY
責(zé)任編輯：WYK
原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/369/6508/1227
原文引用：10.1126/science.abb8330
