說到人工設(shè)計(jì)蛋白，華盛頓大學(xué)的大衛(wèi)·貝克（David Baker）教授是業(yè)內(nèi)當(dāng)之無愧的“大神”。在計(jì)算模擬蛋白質(zhì)功能，并進(jìn)行人工設(shè)計(jì)上，這位50多歲的美國科學(xué)院院士率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)代表了領(lǐng)域的前沿。今年早些時(shí)候，他的團(tuán)隊(duì)就曾首次從頭設(shè)計(jì)一款抗癌蛋白，其結(jié)果也登上了《自然》雜志。
上周，在頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上，貝克教授團(tuán)隊(duì)再次帶來了新的突破。這一次，他們?cè)O(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)會(huì)變形！
蛋白為啥要“變形”？
這項(xiàng)研究為啥能發(fā)表在《科學(xué)》上呢？這就要從它的意義說起。在計(jì)算機(jī)的輔助下，我們已經(jīng)得到了一系列蛋白設(shè)計(jì)的原則，并能從頭設(shè)計(jì)出具有自由能的氨基酸序列，讓其形成的三維蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有超高的穩(wěn)定性。
這固然是人工設(shè)計(jì)蛋白的一大突破，但在實(shí)用性上卻有著明顯受限。這些人造蛋白太穩(wěn)定了，就像是“巖石”一樣硬邦邦。它們可以成為很好的結(jié)構(gòu)框架，或是能與其他蛋白進(jìn)行緊密結(jié)合，但在自然界中，許多天然蛋白更為靈活，能夠在不同的環(huán)境下展現(xiàn)出不同的構(gòu)象。這些蛋白也往往具有“開關(guān)”的功能，利用不同構(gòu)象，來做不同的事。
舉個(gè)例子，流感病毒被內(nèi)吞進(jìn)細(xì)胞后，表面的血凝素（HA）蛋白會(huì)在酸性環(huán)境下“變形”，促使胞內(nèi)體（endosome）的細(xì)胞膜與流感病毒的脂質(zhì)膜進(jìn)行融合，從而讓流感病毒的遺傳物質(zhì)順利進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，開始復(fù)制。
可以看到，“變形”能給蛋白質(zhì)附加上許多額外的功能，也是科學(xué)家們想要理解和駕馭的蛋白質(zhì)特性之一。但說起來容易，做起來難。自然界經(jīng)過數(shù)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(jié)構(gòu)，還會(huì)根據(jù)周圍環(huán)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(tuán)隊(duì)做到了！
長年以來，這支團(tuán)隊(duì)積累的大量經(jīng)驗(yàn)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(dāng)環(huán)境變?yōu)槲⑺嵝詴r(shí)，它就會(huì)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(gè)性質(zhì)能幫助蛋白質(zhì)“變形”。
后續(xù)的研究也證實(shí)了這一設(shè)想的可靠。研究人員們利用計(jì)算機(jī)模擬，設(shè)計(jì)了一種合成蛋白。經(jīng)過優(yōu)化和純化后，它能在中性條件下進(jìn)行自我組裝，成為多聚體。
接下來，便是見證神奇的時(shí)刻了。在酸性條件下，這些蛋白質(zhì)的組氨酸快速帶上了正電荷，從而破壞其蛋白內(nèi)部的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，讓組裝好的多聚體開始解體。這種操作會(huì)讓蛋白露出疏水殘基，使其成為一個(gè)兩性分子。這不但能促進(jìn)蛋白單體與脂質(zhì)膜結(jié)合，還能借此影響和破壞膜的結(jié)構(gòu)，讓膜出現(xiàn)融合。
使用冷凍電鏡技術(shù)，研究人員們確認(rèn)，在酸性條件下，這些蛋白果然可以與脂質(zhì)體相結(jié)合。而在堿性環(huán)境里，這種結(jié)合能力就消失了。此外，研究人員們還確認(rèn)，這種結(jié)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(jié)合脂質(zhì)體。
這些結(jié)果表明，通過人類的設(shè)計(jì)，蛋白的確在酸性條件下發(fā)生了“變形”，并且展露出理想的特質(zhì)，使膜出現(xiàn)融合。
變革藥物遞送？
在哺乳動(dòng)物細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，這種人造蛋白的“變形”能力再次得到了驗(yàn)證。首先，研究人員們?cè)谶@種可變形蛋白上做了改造，讓它們可以發(fā)出綠色熒光。然后，他們?cè)诩?xì)胞培養(yǎng)液中加入這些蛋白。
后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞會(huì)把它們“一口吞下”。就像人依賴酸性的胃液消化食物，細(xì)胞也會(huì)把內(nèi)吞物送到“溶酶體”里進(jìn)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(jīng)進(jìn)入到了溶酶體內(nèi)部。但這些蛋白卻依舊可以發(fā)出熒光，說明它們又沒有被消化掉。
這些結(jié)果清楚地說明了蛋白的成功“變形”。研究人員解讀說，在被細(xì)胞吞進(jìn)去后，這些蛋白在酸性的溶酶體中開始變形，并借此破壞了溶酶體的膜結(jié)構(gòu)。這就好像胃破了一個(gè)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，它們被消化得干干凈凈。
在論文的最后，研究人員們指出，目前如果想要將生物制劑遞送到細(xì)胞質(zhì)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么“粗暴”，卻也會(huì)引起免疫上的風(fēng)險(xiǎn)。本研究中隨pH值發(fā)生變形的蛋白，具有將胞內(nèi)體中的分子釋放到細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的潛力，因此有望帶來一種新穎的藥物遞送方法。
“設(shè)計(jì)能夠以可預(yù)測(cè)的方式進(jìn)行變化的蛋白質(zhì)，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(nèi)體，因此有潛力帶來藥物遞送的新工具。”
參考資料：
[1] Scott E. Boyken et al., (2019), De novo design of tunable, pH-driven conformational changes, Science, DOI: 10.1126/science.aav7897
[2] Designing biological movement on the nanometer scale, Retrieved May 16, 2019, from https://newsroom.uw.edu/news/designing-biological-movement-nanometer-scale
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