David Baker是美國華盛頓大學(xué)的教授，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家，2024年諾貝爾化學(xué)獎的獲獎?wù)咧?，主攻蛋白質(zhì)折疊、蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)以及生物大分子結(jié)構(gòu)解析等領(lǐng)域。其實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)僅2024年在全新蛋白設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)表了近19篇研究成果，通過人工智能和計(jì)算建模的結(jié)合，推動了從頭設(shè)計(jì)蛋白的技術(shù)革命。他們展示了如何通過深度學(xué)習(xí)算法、分子動力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，快速、高效地構(gòu)建功能多樣的蛋白，解決了許多傳統(tǒng)方法無法攻克的科學(xué)難題。

一、研究亮點(diǎn)

此次在bioRxiv上發(fā)表的《De novo design of miniprotein agonists and antagonists targeting G protein-coupled receptors》研究針對的是藥物發(fā)現(xiàn)與開發(fā)的核心靶點(diǎn)G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)。GPCR靶點(diǎn)因其多穿膜蛋白且具有構(gòu)象動態(tài)性，設(shè)計(jì)其蛋白激動劑和拮抗劑一直存在挑戰(zhàn)。這里整體概括了該項(xiàng)研究的設(shè)計(jì)思路及篩選方法。

• 該研究結(jié)合計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，用于開發(fā)具有高親和力、高效率、高選擇性的GPCR靶向性微蛋白。該方法結(jié)合了RFdiffusion算法、MetaGen框架及基于受體轉(zhuǎn)向 (RD)顯微鏡分析的高通量篩選技術(shù)。

• 該研究采用兩種設(shè)計(jì)策略

基序?qū)虻腞F diffusion：靶向受體特定熱點(diǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)深位點(diǎn)作用。
MetaGen：利用從Alpha Fold衍生的宏蛋白質(zhì)組結(jié)構(gòu)支架生成多樣化設(shè)計(jì)。

• 受體轉(zhuǎn)向顯微鏡分析(RD)篩選平臺可直接在人體細(xì)胞內(nèi)運(yùn)行，無需受體純化步驟，確保與復(fù)雜的細(xì)胞環(huán)境兼容。該技術(shù)可高效篩選多達(dá)100,000種設(shè)計(jì)方案。

• 設(shè)計(jì)的微蛋白激動劑成功激活了與瘙癢和疼痛相關(guān)的GPCR-MRGPRX1，其中篩選出來的兩個(gè)結(jié)合蛋白表現(xiàn)出完全激動和部分激動活性，冷凍電鏡結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了其結(jié)合精準(zhǔn)性和作用機(jī)理。

• 該研究還開發(fā)了靶向CXCR4、GLP1R、GIPR、GCGR和CGRPR的拮抗劑，其親和力在納摩爾至皮摩爾水平。其中CGRPR拮抗劑dC2_049表現(xiàn)出卓越的選擇性和效力。

• 冷凍電鏡結(jié)構(gòu)分析證實(shí)，設(shè)計(jì)的拮抗劑可通過空間位阻封閉結(jié)合位點(diǎn)并阻斷激活，為GPCR靶向治療提供了新的機(jī)遇。

• 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與高通量篩選的成功結(jié)合，為開發(fā)靶向GPCR的新型蛋白質(zhì)療法提供了一條充滿希望的途徑。

Fig. 1. GPCR binder computational design and screening methods [1]

二、締碼生物CXCR4-nanodisc助力

締碼生物CXCR4-nanodisc (FLP100074)參與了這項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)部分，用于酵母展示及篩選。

締碼生物專為全長膜蛋白打造的Nanodisc解決方案，解決了多穿膜蛋白難表達(dá)、難定量、難溶解、難純化等問題，可使跨膜蛋白處于天然膜環(huán)境中，保持生物活性。而且后續(xù)實(shí)驗(yàn)中不需要添加洗滌劑，可以直接應(yīng)用于細(xì)胞學(xué)分析。另外，基于哺乳動物細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)的翻譯后修飾保證，這也為跨膜蛋白的功能提供了進(jìn)一步保障。目前，締碼生物已利用Nanodisc開發(fā)出了500+種跨膜蛋白現(xiàn)貨產(chǎn)品，靶點(diǎn)涵蓋GPCR家族和離子通道家族，最高的跨膜次數(shù)可達(dá)24次。

參考文獻(xiàn)：

[1] https://doi.org/10.1101/2025.03.23.644666