再迎突破!大神設計的這個人造蛋白會變形
2019年05月20日11:42

  說到人工設計蛋白,華盛頓大學的大衛·貝克(David Baker)教授是業內當之無愧的“大神”。在計算模擬蛋白質功能,並進行人工設計上,這位50多歲的美國科學院院士率領的團隊代表了領域的前沿。今年早些時候,他的團隊就曾首次從頭設計一款抗癌蛋白,其結果也登上了《自然》雜誌。

▲大衛·貝克教授是人工設計蛋白領域的領軍人物之一(圖片來源:HHMI)
▲大衛·貝克教授是人工設計蛋白領域的領軍人物之一(圖片來源:HHMI)

  上週,在頂尖學術期刊《科學》上,貝克教授團隊再次帶來了新的突破。這一次,他們設計的蛋白質會變形!

  蛋白為什麼要“變形”?

  這項研究為什麼能發表在《科學》上呢?這就要從它的意義說起。在計算機的輔助下,我們已經得到了一系列蛋白設計的原則,並能從頭設計出具有最低自由能的氨基酸序列,讓其形成的三維蛋白質結構具有超高的穩定性。

  這固然是人工設計蛋白的一大突破,但在實用性上卻有著明顯受限。這些人造蛋白太穩定了,就像是“岩石”一樣硬邦邦。它們可以成為很好的結構框架,或是能與其他蛋白進行緊密結合,但在自然界中,許多天然蛋白更為靈活,能夠在不同的環境下展現出不同的構象。這些蛋白也往往具有“開關”的功能,利用不同構象,來做不同的事。

▲流感病毒血凝素蛋白的“變形”,對於釋放流感病毒遺傳物質至關重要(圖片來源:NSF)
▲流感病毒血凝素蛋白的“變形”,對於釋放流感病毒遺傳物質至關重要(圖片來源:NSF)

  舉個例子,流感病毒被內吞進細胞後,表面的血凝素(HA)蛋白會在酸性環境下“變形”,促使胞內體(endosome)的細胞膜與流感病毒的脂質膜進行融合,從而讓流感病毒的遺傳物質順利進入細胞質,開始複製。

  可以看到,“變形”能給蛋白質附加上許多額外的功能,也是科學家們想要理解和駕馭的蛋白質特性之一。但說起來容易,做起來難。自然界經過數十億年演化而來的蛋白分子,其氨基酸序列不但能夠形成理想的結構,還會根據周圍環境做出改變。想要破解自然的密碼,談何容易?

  盡顯人類智慧

  但貝克教授的團隊做到了!

  長年以來,這支團隊積累的大量經驗讓他們把注意力集中到了一種叫做組氨酸的氨基酸上。在中性條件下,這種氨基酸不帶有電荷。但當環境變為微酸性時,它就會帶上正電荷,從而影響其形成氫鍵的能力。研究人員們推斷,這個性質能幫助蛋白質“變形”。

▲組氨酸是蛋白“變形”的關鍵(圖片來源:參考資料[1])
▲組氨酸是蛋白“變形”的關鍵(圖片來源:參考資料[1])

  後續的研究也證實了這一設想的可靠。研究人員們利用計算機模擬,設計了一種合成蛋白。經過優化和純化後,它能在中性條件下進行自我組裝,成為多聚體。

  接下來,便是見證神奇的時刻了。在酸性條件下,這些蛋白質的組氨酸快速帶上了正電荷,從而破壞其蛋白內部的氫鍵網絡,讓組裝好的多聚體開始解體。這種操作會讓蛋白露出疏水殘基,使其成為一個兩性分子。這不但能促進蛋白單體與脂質膜結合,還能借此影響和破壞膜的結構,讓膜出現融合。

  使用冷凍電鏡技術,研究人員們確認,在酸性條件下,這些蛋白果然可以與脂質體相結合。而在堿性環境里,這種結合能力就消失了。此外,研究人員們還確認,這種結合必須依賴組氨酸的存在。如果將組氨酸替換成其他氨基酸,即便在酸性條件下,這些蛋白也無法結合脂質體。

▲酸性條件下,人工設計的蛋白可以結合併破壞脂質體的膜結構(圖片來源:參考資料[1])
▲酸性條件下,人工設計的蛋白可以結合併破壞脂質體的膜結構(圖片來源:參考資料[1])

  這些結果表明,通過人類的設計,蛋白的確在酸性條件下發生了“變形”,並且展露出理想的特質,使膜出現融合。

  變革藥物遞送?

  在哺乳動物細胞實驗中,這種人造蛋白的“變形”能力再次得到了驗證。首先,研究人員們在這種可變形蛋白上做了改造,讓它們可以發出綠色螢光。然後,他們在細胞培養液中加入這些蛋白。

  後續研究發現,細胞會把它們“一口吞下”。就像人依賴酸性的胃液消化食物,細胞也會把內吞物送到“溶酶體”里進行消化。有趣的是,這些蛋白與溶酶體的位置有著高度重合,說明它們已經進入到了溶酶體內部。但這些蛋白卻依舊可以發出螢光,說明它們又沒有被消化掉。

▲進入溶酶體但不被降解,彰顯了這些蛋白“變形”帶來的效果(圖片來源:參考資料[1])
▲進入溶酶體但不被降解,彰顯了這些蛋白“變形”帶來的效果(圖片來源:參考資料[1])

  這些結果清楚地說明了蛋白的成功“變形”。研究人員解讀說,在被細胞吞進去後,這些蛋白在酸性的溶酶體中開始變形,並借此破壞了溶酶體的膜結構。這就好像胃破了一個洞,讓胃酸都流了出去一樣,自然就削弱了溶酶體的消化能力。

  同樣,如果把這些可變形蛋白里的組氨酸變成其他氨基酸,這些蛋白也就失去了變形能力。在溶酶體中,它們被消化得干乾淨淨。

  在論文的最後,研究人員們指出,目前如果想要將生物製劑遞送到細胞質中,需要使用許多比較“粗暴”的方法,因此可能帶來毒副作用。病毒載體雖然顯得不那麼“粗暴”,卻也會引起免疫上的風險。本研究中隨pH值發生變形的蛋白,具有將胞內體中的分子釋放到細胞質內的潛力,因此有望帶來一種新穎的藥物遞送方法。

  “設計能夠以可預測的方式進行變化的蛋白質,有望帶來分子藥物的新浪潮,”貝克教授說道:“這些分子能夠穿透胞內體,因此有潛力帶來藥物遞送的新工具。”

  來源:學術經緯

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