一粒藥物，精準(zhǔn)操控蛋白組裝！

在生命體系中，許多關(guān)鍵功能并非由單個(gè)蛋白完成，而是依賴多個(gè)蛋白精準(zhǔn)組裝、協(xié)同工作。如果能像“開關(guān)”一樣，用一種外加信號按需控制蛋白的組裝與解體，就可以在細(xì)胞工程、基因治療甚至活體調(diào)控中實(shí)現(xiàn)前所未有的精確操控。過去30多年，科學(xué)家發(fā)展了多種“小分子誘導(dǎo)蛋白靠近”的技術(shù)，但幾乎都局限于“二聚體”，難以調(diào)控需要三聚體甚至更高階結(jié)構(gòu)的生物過程，同時(shí)還存在誘導(dǎo)分子毒性、特異性不足等問題。這些限制，長期制約著化學(xué)誘導(dǎo)蛋白組裝工具在復(fù)雜生物體系中的應(yīng)用。

在此，西湖大學(xué)曹龍興博士聯(lián)合解明岐博士提出了一種全新的“邊結(jié)合、邊對接（docking-while-binding）”計(jì)算設(shè)計(jì)策略，從零開始設(shè)計(jì)出一套可被小分子藥物金剛烷胺（amantadine）精準(zhǔn)調(diào)控的蛋白組裝體系。這套系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了前所未有的三聚體調(diào)控，還進(jìn)一步擴(kuò)展到異源二聚體和異源三聚體，并在細(xì)胞中、甚至在小鼠體內(nèi)，通過口服藥物實(shí)現(xiàn)了對基因表達(dá)的非侵入式調(diào)控，為化學(xué)誘導(dǎo)蛋白工程打開了全新的想象空間。相關(guān)成果以“De novo design of small molecule–regulated protein oligomers”為題發(fā)表在《Science》上，Qihan Jin、Yukai Wang為共同第一作者。

從“對接”開始：把藥物直接設(shè)計(jì)進(jìn)蛋白接口

研究的第一步，是徹底改變傳統(tǒng)“先有蛋白、再找藥物”的思路。研究團(tuán)隊(duì)從只有55–65個(gè)氨基酸的迷你蛋白出發(fā)，在計(jì)算機(jī)中同時(shí)優(yōu)化蛋白–蛋白相互作用和蛋白–藥物相互作用。在這一過程中，金剛烷胺的三重對稱結(jié)構(gòu)被精準(zhǔn)地嵌入蛋白亞基之間的接口區(qū)域，使蛋白在沒有藥物時(shí)穩(wěn)定以單體存在，而一旦加入藥物，就會(huì)被“鎖定”成三聚體（圖1a–f）。這種設(shè)計(jì)思路的關(guān)鍵，在于讓藥物本身成為蛋白組裝的“結(jié)構(gòu)核心”，而非簡單的外部黏合劑。

圖1：金剛烷胺調(diào)控蛋白三聚體的計(jì)算設(shè)計(jì)流程與總體結(jié)構(gòu)示意

一個(gè)藥物不夠？那就兩個(gè)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果很快揭示了一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題：金剛烷胺分子很小，僅靠一個(gè)分子，驅(qū)動(dòng)三聚體組裝的能量有限。于是，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了可同時(shí)結(jié)合兩個(gè)金剛烷胺分子的三聚體結(jié)構(gòu)。這一改動(dòng)帶來了顯著提升——雙藥物版本在加入金剛烷胺后，蛋白的組裝行為更加明顯、響應(yīng)更加靈敏。晶體結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)解析的蛋白–藥物復(fù)合物與計(jì)算模型高度一致，原子級別的偏差不到1 ?（圖2a–e），證明這種“從零設(shè)計(jì)”的策略在結(jié)構(gòu)層面是高度可靠的。

圖2：單/雙金剛烷胺誘導(dǎo)三聚體的結(jié)構(gòu)解析與組裝行為表征

讓三聚體“干活”：基因表達(dá)與蛋白凝聚

有了穩(wěn)定可控的三聚體結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)將其接入真實(shí)的細(xì)胞功能中。他們將該模塊嵌入轉(zhuǎn)錄因子設(shè)計(jì)中，使其只有在三聚體形成時(shí)才能激活基因表達(dá)。實(shí)驗(yàn)表明，加入金剛烷胺后，目標(biāo)基因表達(dá)水平隨藥物劑量精準(zhǔn)上調(diào)，且背景表達(dá)極低（圖3a–d）。與此同時(shí)，研究人員還構(gòu)建了一個(gè)可逆的蛋白凝聚體系：在細(xì)胞中，加入藥物后，熒光蛋白迅速聚集成清晰的“斑點(diǎn)”，去除藥物后又可完全消散（圖3e–h），展現(xiàn)出優(yōu)異的時(shí)空可控性。

圖3：三聚體在細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)調(diào)控與可逆蛋白凝聚

從對稱到不對稱：異源二聚體與三聚體

對稱三聚體只是起點(diǎn)。借助其高度可工程化的特性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步“拆分”和重組原有結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)建了金剛烷胺誘導(dǎo)的異源二聚體和異源三聚體系統(tǒng)。通過正負(fù)設(shè)計(jì)策略，研究人員既增強(qiáng)了目標(biāo)亞基之間的結(jié)合，又有效抑制了錯(cuò)誤組裝。最終獲得的異源二聚體在加入藥物后，結(jié)合親和力提升近兩個(gè)數(shù)量級，晶體結(jié)構(gòu)再次驗(yàn)證了設(shè)計(jì)精度（圖4a–j）。這一結(jié)果表明，該策略可以像“積木”一樣，擴(kuò)展出多種復(fù)雜蛋白架構(gòu)。

圖4：基于三聚體拓展的金剛烷胺誘導(dǎo)異源二聚體與異源三聚體

把“開關(guān)”帶進(jìn)活體：口服藥物調(diào)控小鼠基因表達(dá)

最引人注目的突破，來自體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。研究人員將該化學(xué)誘導(dǎo)系統(tǒng)用于小鼠模型，只需通過口服金剛烷胺，就能在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)劑量依賴的基因表達(dá)調(diào)控（圖5g–h）。由于金剛烷胺本身是FDA批準(zhǔn)的藥物，具有明確的藥代動(dòng)力學(xué)和安全性，這一結(jié)果為未來的可控細(xì)胞治療和基因治療提供了極具吸引力的技術(shù)路線。

圖5：金剛烷胺在細(xì)胞與小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)蛋白定位與基因表達(dá)控制

小結(jié)

這項(xiàng)研究首次實(shí)現(xiàn)了小分子藥物精準(zhǔn)調(diào)控的蛋白三聚體及更高階組裝，并通過完全從頭計(jì)算設(shè)計(jì)，擺脫了對天然蛋白模板的依賴。小巧的蛋白尺寸、成熟安全的口服藥物，以及從細(xì)胞到動(dòng)物模型的全面驗(yàn)證，使這一體系具備了難得的轉(zhuǎn)化潛力。可以預(yù)見，這種“藥物即結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)理念，將推動(dòng)下一代化學(xué)誘導(dǎo)蛋白工具的發(fā)展，并在合成生物學(xué)、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和細(xì)胞治療中發(fā)揮重要作用。