編輯 | 蘿蔔皮
隨著抗癌研究的不斷深入，科學家們一直在尋找新的方法來提高治療效果並減少副作用。小分子結合蛋白的從頭設計技術是解決這一問題的關鍵。然而，高親和力結合和可調特異性，通常需要在計算設計後進行復雜的篩選和最佳化，這為研究造成了重大阻礙。
加州大學舊金山分校的研究人員開發了一種名為 COMBS 的從頭蛋白質設計計算方法，並設計了能與新興抗癌藥物緊密結合的蛋白質。
實驗驗證表明，所設計的蛋白質與藥物的親和力強度達到了小於 5 納摩爾的水平；X 射線晶體結構證實了所設計蛋白質與藥物相互作用的準確性。這表明，科學家可以透過計算方法設計出具有特定功能的蛋白質，而且為癌症治療提供了新的策略。
該研究以「De novo design of drug-binding proteins with predictable binding energy and specificity」為題，於 2024 年 4 月 4 日釋出在《Science》。
分子識別在藥物蛋白設計中仍有挑戰
分子識別是酶催化活性的基礎，並驅動蛋白質受體的訊號傳導。雖然科學家對蛋白質設計和分子相互作用有了深入的瞭解，但是合理設計以低納摩爾至皮摩爾親和力特異性結合小分子的蛋白質，仍然是一個重大挑戰。
因為需要精確模擬和預測蛋白質與藥物分子之間複雜的相互作用，包括氫鍵、疏水作用和電荷相互作用等。此外，高親和力結合通常要求：蛋白質結合位點在結合過程中的構象變化、水分子的排擠效應能夠被精確計算和最佳化；這些因素都增加了研究的複雜性和難度。
科學傢俱體指出，設計能夠特異性結合小分子藥物的蛋白質所面臨的一大挑戰是：如何克服極性基團在結合過程中失去與水分子有利相互作用的損失。
為了補償這種失去的水合能，小分子的極性化學基團必須與蛋白中的原子基團形成高度定向和距離依賴的氫鍵以及靜電相互作用。這些極性相互作用不僅對親和力至關重要，也決定了蛋白質對其底物與其他形狀相似分子的特異性。
一種針對特異性蛋白的從頭算設計方法
加州大學舊金山分校的研究人員開發了一種名為 COMBS（Convergent Motifs for Binding Sites）的設計方法，透過取樣能夠形成這些相互作用的序列和結構，以及透過最佳化蛋白質的構象來最小化結合時的構象熵損失，從而提高設計的成功率。
具體來說，它允許在搜尋不那麼特異但能量上有利的範德華和疏水相互作用來完成結合位點之前，只對能夠形成極性相互作用的序列和結構進行取樣。這種方法特別關注如何在蛋白質結合位點的設計中精確地排列化學基團，從而確保它們能夠與目標小分子形成高度定向和距離依賴的相互作用。
COMBS 使用一種稱為 vdMs（van der Mers）的工具來搜尋化學基團與氨基酸骨架原子相互作用的最佳空間位置。vdMs 類似於定義氨基酸側鏈原子相對於其主鏈原子的有利位置的 rotameric 構象，但 vdMs 定義的是與殘基主鏈原子相互作用的化學基團片段的最佳位置。每種氨基酸型別可以採用多個 vdMs，這些 vdMs 根據在蛋白質資料庫（PDB）中的出現頻率，被聚類成相似的組，並附上相關的機率。
COMBS 演算法然後在給定的蛋白質骨架上找到多個位置，這些位置可以同時與目標小分子的化學基團形成有利的範德華、芳香性或氫鍵相互作用。透過這種方式，COMBS 能夠識別出能夠與藥物形成高親和力結合的蛋白質骨架，並建立出相應的結合位點。
實際應用與溼實驗驗證
研究人員首先使用 COMBS 方法定義了藥物的藥效團，並在選定的蛋白質骨架上取樣 vdMs，從而識別能夠與目標小分子形成氫鍵的化學基團。透過這種方法，他們發現了能夠與 rucaparib 藥物的特定化學基團形成相互作用的側鏈。
在初步設計後，研究人員透過 Rosetta 靈活骨架序列設計和第二輪 vdMs 取樣，進一步最佳化了蛋白質的結合位點。這一迭代過程成功地識別了與 rucaparib 結合親和力更高的氨基酸殘基。
圖示：評估 PiB 與 rucaparib 的計算模型和實驗結合。（來源：論文）
然後，該團隊對設計的蛋白質在溼實驗室中進行了表達純化，透過熒光滴定實驗驗證了其與 rucaparib 的結合親和力。結果顯示，設計的蛋白質 PiB 和 PiB' 與 rucaparib 的結合親和力非常強，Kd 值分別為 2.2 nM 和 0.37 nM。
之後，透過X射線晶體學方法，研究人員確定了 PiB' 與 rucaparib 結合的晶體結構，證實了設計的準確性。結構分析表明，蛋白質的結合位點與預測的模型非常吻合，且與藥物的相互作用也與設計的預期一致。
圖示：使用 PARPi 對 PiB 進行光譜滴定和細胞活力測定。（來源：論文）
研究人員還測試了所設計蛋白質與一系列 PARPi 藥物的結合能力。結果顯示，PiB 和PiB' 能夠與 rucaparib 以外的其他 PARPi 藥物也表現出亞微摩爾級別的親和力，但隨著藥物結構與 rucaparib 的差異增大，親和力逐漸減弱。
在細胞水平上，PiB 和 PiB' 能夠減輕 PARPi 藥物對 BRCA2 突變細胞的毒性效應，這表明了設計的蛋白質在生物學上的相關性和潛在的應用價值。
結語
總而言之，「該團隊採用考慮相互作用化學基團區域性結構的方法，專注於開發少量的蛋白質設計來結合極性藥物分子。他們篩選了三種得分最高的設計，並確定了一種即使沒有費力的最佳化也能以亞納摩爾親和力與所需小分子結合的設計。」《Science》的編輯 Michael A. Funk 評價道。
「實驗驗證和計算工作證實了設計的準確性，並揭示了相關藥物分子的預測和觀察到的結合親和力之間的相關性。這些結果為高親和力藥物結合蛋白的設計提供了一種有前景的方法。」他說。
論文連結：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5364