伪对称蛋白质纳米笼的分层设计

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蛋白质设计 纳米材料 自组装 伪对称性 计算生物学

学术背景

蛋白质自组装是生物系统中普遍存在的现象，其功能多样，从结构支持到生化反应调控。尽管近年来在蛋白质设计领域取得了显著进展，但现有的自组装蛋白质结构通常依赖于严格的对称性，这限制了其尺寸和复杂性的进一步提升。为了突破这一限制，研究人员从细菌微室和病毒衣壳中的伪对称性（pseudosymmetry）中获得灵感，开发了一种层次化的计算方法，用于设计大型伪对称自组装蛋白质纳米材料。这一研究旨在通过打破严格对称性的限制，设计出更大、更复杂的蛋白质纳米笼（nanocages），从而扩展自组装蛋白质结构的多样性。

论文来源

该研究由来自University of Washington的Quinton M. Dowling、Young-Jun Park、Chelsea N. Fries等研究人员共同完成，论文于2024年发表在Nature期刊上。研究团队主要来自University of Washington的Institute for Protein Design和Department of Biochemistry，部分研究人员还隶属于Howard Hughes Medical Institute。

研究流程与结果

1. 伪对称异源三聚体设计

研究团队首先从一种来自超嗜热细菌Thermotoga maritima的稳定同源三聚体蛋白（PDB ID: 1wa3）出发，设计伪对称异源三聚体（heterotrimer）。通过引入突变破坏同源三聚体的稳定性，并结合补偿性突变恢复三聚体组装，研究人员成功设计出三种不同的伪对称异源三聚体。这些异源三聚体通过不同的氨基酸序列组合，形成了新的蛋白质-蛋白质界面，从而实现了伪对称性。

实验方法：

  • 突变筛选：使用Rosetta软件计算突变对三聚体稳定性的影响，筛选出能够破坏三聚体稳定性的突变及其补偿性突变。
  • 实验验证：通过E. coli表达系统表达突变后的三聚体，并使用Native PAGE和质谱分析验证其组装能力。

结果：

研究人员成功设计出三种伪对称异源三聚体，并通过实验验证了其组装能力。这些异源三聚体能够与已知的五聚体（pentamer）结合，形成纳米笼结构。

2. 240亚基纳米笼设计

基于设计的伪对称异源三聚体，研究人员进一步设计了具有二十面体对称性的240亚基纳米笼。通过将异源三聚体与同源三聚体（homotrimer）进行对接，并设计新的蛋白质-蛋白质界面，研究人员成功构建了gi4-f7纳米笼。

实验方法：

  • 对接与设计：使用计算对接方法将异源三聚体与同源三聚体进行对接，并设计新的界面。
  • 表达与纯化：通过E. coli表达系统表达纳米笼的各个组分，并使用IMAC和SEC进行纯化。
  • 结构验证：使用冷冻电镜（cryo-EM）对纳米笼进行结构解析。

结果：

冷冻电镜结构显示，gi4-f7纳米笼的直径约为49 nm，与设计模型高度一致。该纳米笼的组装成功验证了伪对称设计方法的可行性。

3. 540亚基纳米笼的发现与设计

在gi4-f7的冷冻电镜图像中，研究人员意外发现了一种更大的71 nm纳米笼，命名为gi9-f7。该纳米笼由540个亚基组成，其结构类似于gi4-f7，但具有更大的尺寸和更复杂的组装方式。

实验方法：

  • 结构解析：通过冷冻电镜对gi9-f7进行结构解析。
  • 组装验证：通过调整异源三聚体和同源三聚体的比例，优化gi9-f7的组装。

结果：

冷冻电镜结构显示，gi9-f7纳米笼的直径约为71 nm，其结构与设计模型高度一致。该纳米笼的发现进一步证明了伪对称设计方法的扩展性。

4. 可扩展纳米笼的设计

基于gi4-f7和gi9-f7的设计，研究人员进一步提出了可扩展的纳米笼设计策略。通过引入新的同源三聚体（bbb），研究人员成功设计了gi16-f7纳米笼，其直径达到96 nm，包含960个亚基。

实验方法：

  • 结构解析：通过冷冻电镜对gi16-f7进行结构解析。
  • 组装验证：通过动态光散射（DLS）和冷冻电镜验证纳米笼的组装。

结果：

冷冻电镜结构显示，gi16-f7纳米笼的直径约为96 nm，其结构与设计模型高度一致。该纳米笼的设计进一步扩展了伪对称纳米笼的尺寸和复杂性。

结论与意义

该研究通过层次化的伪对称设计方法，成功设计出迄今为止最大的计算设计蛋白质纳米笼。这些纳米笼的尺寸和复杂性远超以往的设计，展示了伪对称设计方法在蛋白质自组装领域的巨大潜力。该研究不仅扩展了自组装蛋白质结构的多样性，还为未来的纳米材料设计提供了新的思路。

研究亮点

  1. 伪对称设计：通过打破严格对称性，设计出更大、更复杂的蛋白质纳米笼。
  2. 层次化设计策略：通过先设计伪对称异源三聚体，再将其作为构建模块设计更大的纳米笼，实现了复杂结构的精确设计。
  3. 冷冻电镜验证：通过冷冻电镜对设计的纳米笼进行结构解析，验证了设计方法的准确性。
  4. 可扩展性：通过引入新的同源三聚体，成功设计了可扩展的纳米笼，展示了该方法的广泛应用潜力。

应用价值

该研究设计的蛋白质纳米笼在药物递送、酶封装、疫苗开发等领域具有广泛的应用前景。例如，研究人员成功将SARS-CoV-2刺突蛋白的受体结合域（RBD）展示在纳米笼表面，并验证了其激活B细胞的能力，展示了其在疫苗开发中的潜在应用价值。

总结

该研究通过层次化的伪对称设计方法，成功设计出迄今为止最大的计算设计蛋白质纳米笼，展示了伪对称设计方法在蛋白质自组装领域的巨大潜力。该研究不仅扩展了自组装蛋白质结构的多样性，还为未来的纳米材料设计提供了新的思路。