四成分タンパク質ナノケージの設計：プログラムされた対称性破壊による

学術的背景

タンパク質ナノケージ（protein nanocages）は、高度な対称性を持つタンパク質集合体であり、ワクチン開発、薬物送達、ナノ材料設計などの分野で広く利用されています。自然界のウイルスは、通常、対称性破壊（symmetry breaking）を通じて複雑な構造を構築します。特に、高三角数（higher triangulation number, T）の二十面体（icosahedral）構造がよく見られます。しかし、自然界では、四面体（tetrahedral）や八面体（octahedral）の高T数構造を対称性破壊によって構築する例は見つかっていません。この分野を探求するため、研究者たちは、擬似対称化（pseudosymmetrization）を用いて三量体構築ブロックから高T数の四面体、八面体、二十面体ナノケージを構築するための一般的な設計戦略を提案しました。

論文の出典

この論文は、Sangmin Lee、Ryan D. Kibler、Green Ahn、Yang Hsia、Andrew J. Borst、Annika Philomin、Madison A. Kennedy、Buwei Huang、Barry Stoddard、David Bakerによって共同執筆され、『Nature』誌に掲載されました。著者らは、ワシントン大学生化学科、タンパク質設計研究所、ハワード・ヒューズ医学研究所、浦項工科大学（POSTECH）、フレッド・ハッチンソン癌研究センターに所属しています。論文は2024年7月11日にオンラインで公開されました。

研究の流れ

1. 設計戦略

研究者たちは、擬似対称化を用いて三量体構築ブロックから高T数の四面体、八面体、二十面体ナノケージを構築するための階層的な設計戦略を提案しました。具体的な手順は以下の通りです： 1. T=1ケージの設計：まず、C3対称性を持つホモ三量体（homotrimers）を設計し、四面体、八面体、二十面体の対称軸に沿って配置し、T=1のナノケージを形成します。 2. 環状サブ構造の抽出：ホモ三量体を擬似対称のヘテロ三量体（heterotrimers）に置き換え、環状サブ構造（crowns）を抽出します。これらのヘテロ三量体は3つの異なる鎖で構成され、1つの三量体-三量体界面が欠如しているため、サブ構造をケージから分離することができます。 3. T=4ケージの構築：抽出した環状サブ構造を新しいホモ三量体と結合し、四面体、八面体、二十面体の対称軸に沿って配置し、T=4のナノケージを形成します。

2. 擬似対称ヘテロ三量体の設計

研究者たちは、界面移植（interface transplantation）法を用いて、異なるホモ三量体の界面を宿主三量体に移植し、擬似対称のヘテロ三量体を構築しました。実験により、これらのヘテロ三量体が期待される構造を形成し、異なるアーム長を持つことが確認され、後の組み立てに適していることが示されました。

3. ナノケージの設計と検証

研究者たちは、T=1の四面体、八面体、二十面体ナノケージを設計し、実験によりその構造を検証しました。その後、環状サブ構造を抽出し、新しいホモ三量体と結合してT=4のナノケージを構築しました。ネガティブ染色電子顕微鏡（NSEM）とクライオ電子顕微鏡（cryo-EM）により、これらのナノケージの構造が検証されました。

主な結果

1. T=4ナノケージの構造：研究者たちは、T=4の四面体、八面体、二十面体ナノケージの構築に成功し、それぞれ48、96、240のサブユニットで構成され、直径はそれぞれ33 nm、43 nm、75 nmでした。これらのナノケージは4つの異なる鎖と6つの異なるタンパク質-タンパク質界面を持っています。
2. 擬似対称ヘテロ三量体の検証：実験により、擬似対称のヘテロ三量体が期待される構造を形成し、異なるアーム長を持つことが確認され、後の組み立てに適していることが示されました。
3. ナノケージの熱安定性とpH耐性：実験により、T=4の八面体と二十面体ナノケージは70°C以下で安定し、pH 5.3以上で構造を維持することが示され、送達キャリアとしての可能性が示されました。
4. ナノケージの細胞内取り込み：研究者たちは、二十面体ナノケージの1つの鎖をアシアログリコプロテイン受容体（ASGPR）結合タンパク質と融合させ、肝細胞内でのナノケージの取り込みに成功しました。

結論

この研究は、擬似対称化を用いて三量体構築ブロックから高T数の四面体、八面体、二十面体ナノケージを構築するための一般的な設計戦略を提案しました。これらのナノケージは複雑な構造と多数の機能化部位を持ち、ワクチン開発や薬物送達のための新しいプラットフォームを提供します。特に、T=4の二十面体ナノケージは大きな内部体積を持ち、核酸や他の大分子を包装するために使用できます。

研究のハイライト

1. 革新的な設計戦略：この研究は、擬似対称化を用いて三量体構築ブロックから高T数の四面体、八面体、二十面体ナノケージを構築するための設計戦略を初めて提案しました。
2. 複雑なナノケージ構造：4つの異なる鎖と6つの異なる界面を持つT=4ナノケージの構築に成功し、ワクチン開発や薬物送達におけるその可能性を示しました。
3. 実験的検証：NSEMとcryo-EMによりナノケージの構造を検証し、その熱安定性とpH耐性を実験的に確認しました。
4. 細胞内取り込み実験：ナノケージが肝細胞内に取り込まれることを実証し、送達キャリアとしての可能性を示しました。

研究の意義

この研究は、タンパク質ナノケージの設計に新しい視点を提供し、擬似対称化を用いて複雑なナノ構造を構築する可能性を示しました。これらのナノケージは、ワクチン開発、薬物送達、ナノ材料設計などの分野で広く応用される可能性があります。特に、T=4の二十面体ナノケージは大きな内部体積を持ち、核酸や他の大分子を包装するために使用でき、遺伝子治療やワクチン開発のための新しいツールを提供します。