[摘要]研究人員描述了一種用來設(shè)計蛋白的計算方法，蛋白設(shè)計物能結(jié)合到大分子標(biāo)的物表面上一個區(qū)域,。根據(jù)此方法,，可以確定出未固定到蛋白骨架上的氨基酸殘基與靶分子表面的有益的相互作用，并將它們用于錨定從頭設(shè)計出的蛋白界面上,。研究人員通過該方法設(shè)計出來的蛋白,，能夠結(jié)合到廣泛流行性病毒1918 H1N1蛋白血凝素(HA)主干上的一個保守的表面區(qū)域。經(jīng)過親和力成熟(affinity maturation)后,，這些設(shè)計出的蛋白當(dāng)中,，有兩個蛋白HB36和HB80能結(jié)合到H1和H5的血凝素上，同時表現(xiàn)出較低的納摩爾級親和力(low nanomolar affinity),。再者,，HB80能抑制低pH條件下誘導(dǎo)的血凝素融膜性的構(gòu)象變化。HB36與1918/H1血凝素復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)揭示實際的結(jié)合界面幾乎與計算設(shè)計模型上的界面一樣,。這種設(shè)計出來的能與靶分子結(jié)合的蛋白可能在診斷和治療領(lǐng)域有用,。
流感病毒血凝素主干(灰色和黃色)與蛋白設(shè)計物(綠色)結(jié)合模型(by David Baker)
根據(jù)2011年5月13人發(fā)布在Science雜志上的一篇研究論文,，計算生物學(xué)者們設(shè)計并制造出兩個新的蛋白，它們能牢固地結(jié)合到流感病毒得以侵入細胞的一個關(guān)鍵性的蛋白,。這些新蛋白是在世界各地20多萬臺個人計算機的幫助下而設(shè)計出來的,。它們可能有朝一日適合作為有效的抗病毒治療藥物。長期而言,，這種方法完全有可能成為應(yīng)用于診斷和治療領(lǐng)域的抗體技術(shù)的有力補充,。
為了設(shè)計出能與一個標(biāo)的物(如病原蛋白)相互作用的蛋白，研究人員可以從大量的蛋白結(jié)構(gòu)文庫中查詢,，以便找到幾個與靶分子大致互補的蛋白,，然后微調(diào)這些蛋白結(jié)構(gòu)而使得它們與靶分子結(jié)合更牢固?；蛘?，研究人員將病原體引入動物體內(nèi)，強迫動物免疫系統(tǒng)對病原靶分子產(chǎn)生免疫反應(yīng),，然后從產(chǎn)生的眾多抗體當(dāng)中篩選出合適的抗體,。
前一種方法，研究人員可以控制設(shè)計出的蛋白在哪些位點以及怎樣結(jié)合靶分子,，但是這些蛋白很可能與靶分子結(jié)合不牢固,。而后面一種更貼近自然的方法能產(chǎn)生對靶分子有高親和力的抗體，但是研究人員很少能控制抗體-抗原結(jié)合的動力學(xué),。
然而隨著靶分子的快速變異,，如流感病毒的表面蛋白血凝素(hemagglutinin)，它的大部分區(qū)域都不斷的突變和變化從而躲避宿主抗體的結(jié)合,，即便之前能很好結(jié)合的抗體也很快變得無用,。
為了解決這個難題，華盛頓大學(xué)的計算生物學(xué)者David Bake和他的同事將研究重點聚焦于血凝素中一個相當(dāng)穩(wěn)定的區(qū)域,，而且該區(qū)域在很多流感病毒菌株中高度保守,。已經(jīng)證實，結(jié)合到這個保守區(qū)域的抗體能夠阻止病毒外殼與宿主細胞膜融合而導(dǎo)致的感染,。
將這種保守區(qū)域作為研究對象,，研究人員不得不反過頭來解決這個問題，首先搜尋這個區(qū)域中蛋白能夠牢固結(jié)合的藏匿處(nooks and crannies),，然后再確定一串氨基酸序列,，這些序列能契合進這些藏匿處，且能作為吊鉤的形式發(fā)揮作用,。
一旦能構(gòu)建一個完整的氨基酸序列吊鉤文庫,，研究人員就可以搜索到結(jié)構(gòu)已知的蛋白，它們大致能契合進血凝素的構(gòu)象中，作為蛋白骨架容納氨基酸序列吊鉤,。
隨后,，研究人員修飾這些骨架蛋白的空間定位和序列，以便固定住氨基酸序列吊鉤,，這樣氨基酸序列吊鉤就可以與血凝素相互作用,。由于這是一項重要但又費時的方法，研究人員向公眾尋求幫助解決和優(yōu)化這些蛋白的三維結(jié)構(gòu),。大約25萬名自愿者下載了Baker實驗室開發(fā)的免費軟件,，這個軟件能讓自愿者家中的電腦為這項復(fù)雜的運算提供計算能力。
加州大學(xué)舊金山分校的計算生物學(xué)家Tanja Kortemme認為,，這個設(shè)計方法非常別出心裁,，為了解決問題，首先尋找能與靶分子相互作用的氨基酸側(cè)鏈,，然而去尋找一個能夠展示這些側(cè)鏈的分子骨架。
最終,，研究人員找到了大約80個新蛋白,。當(dāng)它們在酵母膜上表達的時候，只有兩個能結(jié)合到血凝素上,，而且結(jié)合強度還可通過微調(diào)氨基酸序列得到進一步改善,。
Baker說，成功率仍然太低了,。然而,，在能結(jié)合到血凝素上的兩個設(shè)計的新蛋白中，通過比較其中一個新蛋白的晶體結(jié)構(gòu)與據(jù)以設(shè)計出該蛋白的初始計算模型,，Baker發(fā)現(xiàn)它們完全重合,。這是從頭蛋白設(shè)計(de novo protein design)方法的一個異常罕見的成功實例。盡管這個模型仍然需要改善,，但是它能夠成功地預(yù)測兩個蛋白之間的相互作用,。\\生命科學(xué)論壇\\ towersimper
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一個蛋白設(shè)計物與血凝素的結(jié)合物的X射線結(jié)構(gòu)圖(by David Baker)
生物谷推薦原文出處：
Science 13 May 2011:Vol. 332 no. 6031 pp. 816-821 DOI: 10.1126/science.1202617
Computational design of proteins targeting the conserved stem region of influenza hemagglutinin
Sarel J. Fleishman, Timothy A. Whitehead, Damian C. Ekiert, Cyrille Dreyfus, Jacob E. Corn, Eva-Maria Strauch, Ian A. Wilson, and David Baker
Abstract
We describe a general computational method for designing proteins that bind a surface patch of interest on a target macromolecule. Favorable interactions between disembodied amino acid residues and the target surface are identified and used to anchor de novo designed interfaces. The method was used to design proteins that bind a conserved surface patch on the stem of the influenza hemagglutinin (HA) from the 1918 H1N1 pandemic virus. After affinity maturation, two of the designed proteins, HB36 and HB80, bind H1 and H5 HAs with low nanomolar affinity. Further, HB80 inhibits the HA fusogenic conformational changes induced at low pH. The crystal structure of HB36 in complex with 1918/H1 HA revealed that the actual binding interface is nearly identical to that in the computational design model. Such designed binding proteins may be useful for both diagnostics and therapeutics.
