疑似対称性タンパク質ナノケージの階層的設計

2024-12-29 Sun
学術的背景タンパク質の自己集合は生物学的システムにおいて普遍的な現象であり、その機能は構造支持から生化学的反応の制御まで多岐にわたる。近年、タンパク質設計の分野で顕著な進展が見られたが、既存の自己集合タンパク質構造は通常、厳密な対称性に依存しており、そのサイズと複雑性のさらなる向上が制限されていた。この制限を打破するため、研究者らは細菌のマイクロコンパートメントやウイルスカプシドに見られる擬似対称性（pseudosymmetry）に着想を得て、大規模な擬似対称性を持つ自己集合タンパク質ナノ材料を設計するための階層的な計算手法を開発した。この研究は、厳密な対称性の制約を超えることで、より大きく、より複雑なタンパク質ナノケージ（nanocages）を設計し、自己集合タンパク質構造の多様性を拡大することを目指している。
論文の出典この研究は、University of WashingtonのQuinton M. Dowling、Young-Jun Park、Chelsea N. Friesらを中心とする研究チームによって行われ、2024年にNature誌に掲載された。研究チームの主要メンバーは、University of WashingtonのInstitute for Protein DesignとDepartment of Biochemistryに所属しており、一部の研究者はHoward Hughes Medical Instituteにも在籍している。
研究のプロセスと結果1. 擬似対称性ヘテロ三量体の設計研究チームはまず、超好熱性細菌Thermotoga maritima由来の安定なホモ三量体タンパク質（PDB ID: 1wa3）を出発点として、擬似対称性を持つヘテロ三量体（heterotrimer）を設計した。ホモ三量体の安定性を破壊する変異を導入し、補償変異を組み合わせることで、三量体の集合を回復させることで、3種類の異なる擬似対称性ヘテロ三量体の設計に成功した。これらのヘテロ三量体は、異なるアミノ酸配列の組み合わせによって新しいタンパク質-タンパク質界面を形成し、擬似対称性を実現した。
実験手法：変異スクリーニング：Rosettaソフトウェアを使用して、変異が三量体の安定性に及ぼす影響を計算し、三量体の安定性を破壊する変異とその補償変異をスクリーニングした。
実験的検証：E. coli発現系を用いて変異を加えた三量体を発現し、Native PAGEと質量分析を用いてその集合能力を検証した。
結果：研究チームは3種類の擬似対称性ヘテロ三量体の設計に成功し、実験的にその集合能力を確認した。これらのヘテロ三量体は、既知の五量体（pentamer）と結合してナノケージ構造を形成することができた。
2. 240サブユニットナノケージの設計設計された擬似対称性ヘテロ三量体を基に、研究チームはさらに二十面体対称性を持つ240サブユニットのナノケージを設計した。ヘテロ三量体とホモ三量体（homotrimer）をドッキングさせ、新しいタンパク質-タンパク質界面を設計することで、gi4-f7ナノケージの構築に成功した。
実験手法：ドッキングと設計：計算ドッキング法を用いてヘテロ三量体とホモ三量体をドッキングさせ、新しい界面を設計した。
発現と精製：E. coli発現系を用いてナノケージの各構成要素を発現し、IMACとSECを用いて精製した。
構造検証：クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）を用いてナノケージの構造を解析した。
結果：クライオ電子顕微鏡の構造解析により、gi4-f7ナノケージの直径が約49 nmであり、設計モデルと高い一致を示すことが確認された。このナノケージの集合は、擬似対称性設計手法の有効性を実証した。
3. 540サブユニットナノケージの発見と設計gi4-f7のクライオ電子顕微鏡画像において、研究チームは予期せず、より大きな71 nmのナノケージを発見し、これをgi9-f7と命名した。このナノケージは540個のサブユニットで構成され、その構造はgi4-f7に似ているが、より大きなサイズと複雑な集合様式を持っていた。
実験手法：構造解析：クライオ電子顕微鏡を用いてgi9-f7の構造を解析した。
集合検証：ヘテロ三量体とホモ三量体の比率を調整し、gi9-f7の集合を最適化した。
結果：クライオ電子顕微鏡の構造解析により、gi9-f7ナノケージの直径が約71 nmであり、その構造が設計モデルと高い一致を示すことが確認された。このナノケージの発見は、擬似対称性設計手法の拡張性をさらに証明した。
4. 拡張可能なナノケージの設計gi4-f7とgi9-f7の設計を基に、研究チームはさらに拡張可能なナノケージ設計戦略を提案した。新しいホモ三量体（bbb）を導入することで、gi16-f7ナノケージの設計に成功し、その直径は96 nm、960個のサブユニットを含むことが確認された。
実験手法：構造解析：クライオ電子顕微鏡を用いてgi16-f7の構造を解析した。
集合検証：動的光散乱（DLS）とクライオ電子顕微鏡を用いてナノケージの集合を検証した。
結果：クライオ電子顕微鏡の構造解析により、gi16-f7ナノケージの直径が約96 nmであり、その構造が設計モデルと高い一致を示すことが確認された。このナノケージの設計は、擬似対称性ナノケージのサイズと複雑性をさらに拡大した。
結論と意義この研究は、階層的な擬似対称性設計手法を用いて、これまでで最大の計算設計タンパク質ナノケージの設計に成功した。これらのナノケージのサイズと複雑性は従来の設計を大きく上回り、擬似対称性設計手法がタンパク質自己集合分野において持つ巨大な可能性を示した。この研究は、自己集合タンパク質構造の多様性を拡大するだけでなく、将来のナノ材料設計に新たな視点を提供するものである。
研究のハイライト擬似対称性設計：厳密な対称性を打破し、より大きく、より複雑なタンパク質ナノケージを設計した。
階層的設計戦略：まず擬似対称性ヘテロ三量体を設計し、それを構築ブロックとしてより大きなナノケージを設計することで、複雑な構造の精密な設計を実現した。
クライオ電子顕微鏡による検証：クライオ電子顕微鏡を用いて設計されたナノケージの構造を解析し、設計手法の正確性を検証した。
拡張性：新しいホモ三量体を導入することで、拡張可能なナノケージの設計に成功し、この手法の幅広い応用可能性を示した。
応用価値この研究で設計されたタンパク質ナノケージは、薬物送達、酵素封入、ワクチン開発などの分野で広範な応用が期待される。例えば、研究チームはSARS-CoV-2スパイクタンパク質の受容体結合ドメイン（RBD）をナノケージ表面に提示し、B細胞を活性化する能力を検証することで、ワクチン開発における潜在的な応用価値を示した。
まとめこの研究は、階層的な擬似対称性設計手法を用いて、これまでで最大の計算設計タンパク質ナノケージの設計に成功し、擬似対称性設計手法がタンパク質自己集合分野において持つ巨大な可能性を示した。この研究は、自己集合タンパク質構造の多様性を拡大するだけでなく、将来のナノ材料設計に新たな視点を提供するものである。