蛋白質(zhì)寡聚化作為生命活動(dòng)的核心調(diào)控方式，其動(dòng)態(tài)調(diào)控能力是化學(xué)生物學(xué)工具開發(fā)的關(guān)鍵方向（Stanton et al., 2018）。近年來，從頭設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)技術(shù)取得飛速進(jìn)展，從物理對(duì)接方法到深度學(xué)習(xí)模型，已能實(shí)現(xiàn)高親和力小分子結(jié)合蛋白的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)（Lu et al., 2024）。然而，構(gòu)建由小分子調(diào)控的動(dòng)態(tài)蛋白質(zhì)寡聚體仍面臨巨大挑戰(zhàn)：天然系統(tǒng)稀缺，現(xiàn)有化學(xué)誘導(dǎo)二聚化系統(tǒng)存在毒性大、特異性差等問題（DeRose et al., 2013），且高階寡聚化（如三聚化）的誘導(dǎo)系統(tǒng)幾乎處于空白狀態(tài)——而這類高階組裝在免疫激活、信號(hào)傳導(dǎo)等關(guān)鍵過程中不可或缺（Marianayagam et al., 2004），僅有的異源三聚化系統(tǒng)依賴天然蛋白改造，靈活性受限（Wu et al., 2020）。如何從頭設(shè)計(jì)具有高時(shí)空精度的小分子響應(yīng)型高階蛋白質(zhì)寡聚體，成為領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的瓶頸。

2026年1月2日，西湖大學(xué)曹龍興與解明岐團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)表了文章“De novo design of small molecule regulated protein oligomers”。作者提出了一套基于對(duì)稱性匹配的從頭設(shè)計(jì)策略，成功開發(fā)出由FDA批準(zhǔn)藥物金剛烷胺調(diào)控的蛋白質(zhì)同源三聚體、異源二聚體及異源三聚體系統(tǒng)。該成果不僅解決了小分子調(diào)控高階蛋白質(zhì)組裝的設(shè)計(jì)難題，更為合成生物學(xué)和細(xì)胞治療提供了功能強(qiáng)大的全新工具。

研究團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新在于建立了“對(duì)稱性引導(dǎo)的協(xié)同優(yōu)化” 設(shè)計(jì)框架，其核心邏輯是利用蛋白質(zhì)復(fù)合物與小分子配體的對(duì)稱性匹配來提升設(shè)計(jì)效率與調(diào)控精度。團(tuán)隊(duì)選擇金剛烷胺作為調(diào)控配體，不僅因其具備C3對(duì)稱性可與目標(biāo)寡聚體結(jié)構(gòu)匹配，更得益于其明確的臨床安全性和藥代動(dòng)力學(xué)特征（Hubsher et al., 2012），為后續(xù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)流程中，團(tuán)隊(duì)首先通過RifGen工具生成對(duì)稱旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體相互作用場(chǎng)（RIF），精準(zhǔn)評(píng)估蛋白質(zhì)與金剛烷胺的潛在結(jié)合模式；隨后構(gòu)建三螺旋束單體支架，利用蒙特卡洛模擬退火算法在對(duì)稱約束下組裝同源三聚體，同步優(yōu)化蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)-配體相互作用——前者通過RPX哈希方法快速計(jì)算殘基相互作用能，后者則依托RIF表優(yōu)先保障氫鍵等關(guān)鍵結(jié)合作用。經(jīng)Rosetta和ProteinMPNN的序列優(yōu)化后，通過嚴(yán)格的計(jì)算篩選（包括配體接觸面積、單體穩(wěn)定性等指標(biāo)），最終獲得可在無配體時(shí)保持單體、結(jié)合金剛烷胺后形成寡聚體的候選蛋白。該策略的關(guān)鍵突破在于配體結(jié)合口袋由蛋白質(zhì)組裝過程動(dòng)態(tài)生成，可靈活整合多個(gè)配體結(jié)合位點(diǎn)，解決了小分子驅(qū)動(dòng)高階組裝的能量不足問題。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段，團(tuán)隊(duì)先成功設(shè)計(jì)出單金剛烷胺誘導(dǎo)的同源三聚體（mAITs）和雙金剛烷胺誘導(dǎo)的同源三聚體（dAITs）。其中，dAIT17經(jīng)K26I突變優(yōu)化得到的dAIT17s表現(xiàn)出卓越的調(diào)控性能，SEC-MALS實(shí)驗(yàn)證實(shí)其在金剛烷胺存在下可高效形成均一的三聚體，1.5 ?分辨率晶體結(jié)構(gòu)驗(yàn)證了其與設(shè)計(jì)模型的高度吻合（Cα原子RMSD僅 0.67 ?）。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步拓展至異源寡聚體設(shè)計(jì)：通過RFdiffusion生成連接螺旋將同源三聚體的兩個(gè)亞基融合，結(jié)合ProteinMPNN的正負(fù)設(shè)計(jì)策略，強(qiáng)化異源亞基相互作用并抑制同源聚合，最終獲得異源二聚體AMA10。功能應(yīng)用層面，該系統(tǒng)展現(xiàn)出廣泛適用性：在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，可精準(zhǔn)調(diào)控蛋白質(zhì)的核質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與細(xì)胞膜定位；構(gòu)建的單組分基因開關(guān)實(shí)現(xiàn)了金剛烷胺劑量依賴性的基因轉(zhuǎn)錄激活，且背景表達(dá)極低；設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)凝聚體可在一分鐘內(nèi)響應(yīng)配體誘導(dǎo)，呈現(xiàn)快速可逆的相分離特性。更重要的是，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，經(jīng)口服金剛烷胺給藥，該系統(tǒng)可有效激活小鼠肝臟中的轉(zhuǎn)基因表達(dá)，為臨床轉(zhuǎn)化提供了直接證據(jù)。

圖片來自Science

該研究通過從頭設(shè)計(jì)策略，首次實(shí)現(xiàn)了小分子調(diào)控的蛋白質(zhì)同源三聚體、異源二聚體及異源三聚體的全譜系構(gòu)建，填補(bǔ)了高階寡聚體誘導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)空白。其創(chuàng)新之處在于擺脫了對(duì)天然蛋白質(zhì)骨架的依賴，通過對(duì)稱性匹配原則實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)-配體與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的精準(zhǔn)平衡，設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)組件具有體積?。▋H65個(gè)氨基酸）、調(diào)控精準(zhǔn)、生物相容性高等優(yōu)勢(shì)。未來，該設(shè)計(jì)框架可擴(kuò)展至非對(duì)稱配體與蛋白質(zhì)系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化配體敏感性和組織特異性，有望在細(xì)胞治療安全開關(guān)、復(fù)雜信號(hào)通路重構(gòu)、生物傳感器開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮核心作用。這一成果不僅豐富了化學(xué)生物學(xué)工具箱，更為從頭設(shè)計(jì)功能復(fù)雜的生物分子系統(tǒng)提供了全新范式。

小分子誘導(dǎo)蛋白三聚體示意圖（繪制：趙澍宇）

西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生金啟涵和博士后王昱開為本文的共同第一作者，西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員曹龍興和醫(yī)學(xué)院與生命科學(xué)學(xué)院兼聘研究員解明岐為本文的共同通訊作者。上?？萍即髮W(xué)博士生周浩對(duì)晶體衍射提供了幫助。

曹龍興團(tuán)隊(duì)將基于對(duì)蛋白質(zhì)折疊以及與其他生物活性分子相互作用的基礎(chǔ)性科學(xué)研究，開發(fā)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)新方法，并探索全新設(shè)計(jì)蛋白在合成生物學(xué)與精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室研究方向集中于（但不限定于）以下幾個(gè)方面：

1）開發(fā)以功能為導(dǎo)向，基于深度學(xué)習(xí)與物理建模的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)新方法。

2）開發(fā)具備信號(hào)響應(yīng)能力的新型蛋白，實(shí)現(xiàn)生命過程的動(dòng)態(tài)觀測(cè)與精準(zhǔn)調(diào)控。

3）開發(fā)基于人工設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的新一代智能蛋白質(zhì)藥物。

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10.1126/science.ady6017

參考文獻(xiàn)

1.B. Z. Stanton, E. J. Chory, G. R. Crabtree, Chemically induced proximity in biology and medicine.Science359, (2018).

2.L. Lu et al., De novo design of drug-binding proteins with predictable binding energy and specificity.Science384, 106-112 (2024).

3.R. DeRose, T. Miyamoto, T. Inoue, Manipulating signaling at will: chemically-inducible dimerization (CID) techniques resolve problems in cell biology.Pflugers Arch465, 409-417 (2013).

4.N. J. Marianayagam, M. Sunde, J. M. Matthews, The power of two: protein dimerization in biology.Trends Biochem Sci29, 618-625 (2004).

5.H. D. Wu et al., Rational design and implementation of a chemically inducible heterotrimerization system.Nat Methods17, 928-936 (2020).

6.G. Hubsher, M. Haider, M. S. Okun, Amantadine: the journey from fighting flu to treating Parkinson disease.Neurology78, 1096-1099 (2012).

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