諾獎(jiǎng)得主David Baker最新Science論文：AI從頭設(shè)計(jì)超越天然蛋白親和力的結(jié)合蛋白，預(yù)示著蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)代的到來(lái)

       在自然界中，組成生物體的蛋白質(zhì)都是由20種氨基酸排列組合而來(lái)。氨基酸序列包含了它能形成蛋白質(zhì)的所有結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)過(guò)空間折疊后形成特定的三維構(gòu)象，在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮特定的功能——有的與受體結(jié)合，激活特定的信號(hào)通路；有的結(jié)合DNA，控制基因的開(kāi)關(guān)；有的識(shí)別病原體，啟動(dòng)免疫反應(yīng)。

       因此，如果能準(zhǔn)確模擬出蛋白質(zhì)折疊后的三維構(gòu)象，就能改造蛋白甚至從頭設(shè)計(jì)出全新蛋白。然而，天然的生物蛋白都是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程才逐漸演化而來(lái)，想要無(wú)中生有般從頭設(shè)計(jì)出一種全新且有功能的蛋白質(zhì)十分困難。

       近年來(lái)，以 David Baker 被代表的科學(xué)家在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了一系列突破，并因此獲得了2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

       2024年12月5日，David Baker 教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊 Science 上發(fā)表了題為：Target-conditioned diffusion generates potent TNFR superfamily antagonists and agonists 的研究論文。

       研究團(tuán)隊(duì)使用他們之前開(kāi)發(fā)的RFdiffusion算法來(lái)設(shè)計(jì)腫瘤壞死因子受體（TNFR）的結(jié)合蛋白。研究團(tuán)隊(duì)在初始設(shè)計(jì)生成后使用部分?jǐn)U散設(shè)計(jì)出具有低皮摩爾級(jí)親和力的結(jié)合蛋白，同時(shí)還具有高特異性的優(yōu)點(diǎn)。這些人工設(shè)計(jì)的蛋白質(zhì)可以應(yīng)用于生物學(xué)研究，并可能作為潛在的疾病治療藥物。

       研究團(tuán)隊(duì)表示，為重要的藥理學(xué)靶點(diǎn)設(shè)計(jì)高親和力和高特異性的拮抗劑和激動(dòng)劑的能力，預(yù)示著蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)代正在到來(lái)，在這個(gè)時(shí)代，蛋白質(zhì)結(jié)合劑是通過(guò)計(jì)算而不是通過(guò)免疫或隨機(jī)篩選方法產(chǎn)生的。

       如何設(shè)計(jì)出具有高親和力和特異性結(jié)合目標(biāo)蛋白的人工蛋白，是計(jì)算結(jié)構(gòu)生物學(xué)在治療、診斷等領(lǐng)域的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。為了解決這一問(wèn)題，蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)需要依賴于預(yù)先存在的支架組——要么是天然蛋白質(zhì)，要么是從頭設(shè)計(jì)，它們通常具有明確的三級(jí)結(jié)構(gòu)。

       2023年7月11日，David Baker 教授團(tuán)隊(duì)在 Nature 期刊發(fā)表了題為：De novo design of protein structure and function with RFdiffusion 的研究論文【2】，開(kāi)發(fā)并描述了一種能從頭設(shè)計(jì)生成全新蛋白質(zhì)的人工智能算法——RoseTTAFold Diffusion，簡(jiǎn)稱RFdiffusion。該方法能生成各種功能性蛋白質(zhì)，包括在天然蛋白質(zhì)中從未見(jiàn)過(guò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

       RFdiffusion通過(guò)對(duì)氨基酸殘基的隨機(jī)空間分布進(jìn)行逐步去噪來(lái)生成新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。這一擴(kuò)散去噪過(guò)程可以通過(guò)條件信息進(jìn)行引導(dǎo)，從而創(chuàng)造出多種多樣的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能。例如，在設(shè)計(jì)結(jié)合蛋白時(shí)，擴(kuò)散軌跡是在固定目標(biāo)物存在的情況下進(jìn)行的。

       事實(shí)上，David Baker 團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用RFdiffusion生成基于相似理想支架的結(jié)合蛋白，同時(shí)也測(cè)試了無(wú)約束擴(kuò)散，但僅產(chǎn)生了簡(jiǎn)單的三螺旋或四螺旋束。使用具有規(guī)則二級(jí)結(jié)構(gòu)元素和堆積的小型理想支架的優(yōu)勢(shì)在于，經(jīng)過(guò)序列設(shè)計(jì)后，相當(dāng)一部分設(shè)計(jì)有可能按預(yù)期折疊。然而，這種方法限制了形狀匹配的程度，特別是對(duì)于那些表面相對(duì)平坦且缺乏凹陷以供小型迷你蛋白適應(yīng)的靶標(biāo)。實(shí)際上，目前為止，自主設(shè)計(jì)的結(jié)合蛋白的接觸分子表面（CMS）低于許多天然蛋白復(fù)合物。

       在這項(xiàng)最新研究中，David Baker 團(tuán)隊(duì)推測(cè)，通過(guò)使用RFdiffusion直接從完全隨機(jī)的氨基酸殘基分布生成較大蛋白質(zhì)，可以克服依賴支架或短鏈方法所能實(shí)現(xiàn)的有限形狀匹配，而無(wú)需依賴于現(xiàn)有支架的指導(dǎo)。

       研究團(tuán)隊(duì)聚焦于腫瘤壞死因子受體超家族（TNFRSF），該家族包含許多重要的藥物靶點(diǎn)，例如在炎癥性疾病中發(fā)揮關(guān)鍵作用的腫瘤壞死因子受體1（TNFR1）。通過(guò)應(yīng)用RFdiffusion，研究團(tuán)隊(duì)生成了96個(gè)可能與TNFR1結(jié)合的人工設(shè)計(jì)蛋白，而表面等離子體共振（SPR）實(shí)驗(yàn)表明，有6個(gè)人工設(shè)計(jì)蛋白可與TNFR1結(jié)合，其中TNFR1_mb1和TNFR1_mb2具有與TNFR1結(jié)合的高親和力，并同時(shí)具有高度特異性——只與TNFR1結(jié)合，而不與TNFR2結(jié)合。

形狀互補(bǔ)結(jié)合蛋白的擴(kuò)散研究

       為了進(jìn)一步優(yōu)化TNFR1_mb2和TNFR1_mb1的親和力，David Baker 團(tuán)隊(duì)采用了部分?jǐn)U散的方法：對(duì)骨架部分進(jìn)行噪聲化處理（超過(guò)15-25步；50步產(chǎn)生完全隨機(jī)分布），然后使用RFdiffusion去噪，這產(chǎn)生了與原始設(shè)計(jì)相似但不同的新骨架。

       令人驚訝的是，部分?jǐn)U散優(yōu)化處理產(chǎn)生的TNFR1_mb2_pd1與TNFR1的結(jié)合親和力增加了三個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到低于10 pM。這種低皮摩爾級(jí)的親和力遠(yuǎn)高于任何此前報(bào)道的單體TNFR1結(jié)合蛋白。例如，腫瘤壞死因子（TNF-α）作為天然存在的TNFR1結(jié)合蛋白，其與TNFR1的結(jié)合親和力也僅為19 pM。

       研究團(tuán)隊(duì)表示，在優(yōu)化后的TNFR1_mb2_pd1中，部分?jǐn)U散所帶來(lái)的親和力的顯著增加可能是由于額外的界面以及與結(jié)合裂縫之間更好的整體擬合，這導(dǎo)致了多個(gè)附加接觸點(diǎn)的形成。

部分?jǐn)U散產(chǎn)生具有低皮摩爾級(jí)親和力的結(jié)合蛋白

       鑒于部分?jǐn)U散在增加結(jié)合親和力方面的成功，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步測(cè)試了該方法是否可以應(yīng)用于其他TNFR家族成員，這些成員在序列上是不同的，但具有非常相似的三維結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，這種設(shè)計(jì)方法可以很好地應(yīng)用到其他TNFR家族成員的人工結(jié)合蛋白的設(shè)計(jì)、篩選和優(yōu)化中。

部分?jǐn)U散產(chǎn)生高特異性的TNFR2結(jié)合蛋白

       不僅如此，為了實(shí)現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用，David Baker 團(tuán)隊(duì)還證明了TNFR1_mb2_pd1可以作為拮抗TNF-α信號(hào)傳導(dǎo)的人工抑制劑，表明它可能是阻斷炎癥的候選藥物。此外，他們還針對(duì)4-1BB和OX40設(shè)計(jì)了超激動(dòng)劑，這些高親和力單體結(jié)合劑能夠構(gòu)建多種可溶性信號(hào)分子，提供比當(dāng)前基于天然配體加交聯(lián)抗體的方法更多的控制。

可溶性低聚物4-1BB和OX40超激動(dòng)劑的設(shè)計(jì)

       總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)發(fā)表于 Science 的研究提出了一種基于計(jì)算結(jié)構(gòu)生物學(xué)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)人工結(jié)合蛋白的新方法。這一研究為藥理學(xué)上的關(guān)鍵靶點(diǎn)設(shè)計(jì)高親和力和高特異性拮抗劑和激動(dòng)劑提供了新的方向，為蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)即將到來(lái)的新時(shí)代揭開(kāi)帷幕。

       論文鏈接：

       1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp1779

       2. https://www.nature.com/articles/s41586-023-06415-8