Targeting protein-ligand neosurfaces with a generalizable deep learning tool
2025年1月15日，洛桑联邦理工学院的Anthony Marchand团队在《Nature》上发表了一篇题为“Targeting protein-ligand neosurfaces with a generalizable deep learning tool”的研究文章，提出了一种基于深度学习的通用工具，用于设计和预测蛋白质-配体相互作用中的新表面（neosurfaces）。这一研究不仅突破了传统方法在蛋白质相互作用设计中的局限性，还为合成生物学和细胞治疗提供了全新的工具和思路。
研究背景
蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）在维持细胞健康稳态中起着至关重要的作用，同时也与多种疾病密切相关。尽管已有多种疗法和计算工具被开发用于设计新的PPIs，但预测和设计新的蛋白质相互作用仍然面临巨大挑战，尤其是在缺乏进化约束的情况下。天然PPIs受到多种调控机制的影响，如变构效应、翻译后修饰或配体直接结合等，其中化合物结合表面（neosurfaces）是分子识别中最复杂但也最具吸引力的实例之一。近年来，分子胶等新型药物模式通过形成neosurfaces触发蛋白质相互作用，为创新疗法开发提供了新的方向。
在合成生物学中，小分子诱导的neosurfaces被用于设计化学响应系统，以精确控制细胞活动。尽管已开发出多种化学可破坏的异源二聚体（“关”开关），但由于neosurface建模的复杂性，计算设计的化学诱导二聚化（CID，“开”开关）系统仍面临挑战。现有方法多依赖实验或移植药物结合位点，但存在药物非依赖性二聚化或缺乏合适支架蛋白等局限性。
MaSIF框架：捕捉neosurface的特性
研究者开发了一种基于几何深度学习的框架MaSIF，用于研究蛋白质表面特征并设计新的蛋白质相互作用。该框架包括两个主要应用：MaSIF-site用于预测蛋白质表面与其他蛋白质形成界面的高潜力区域，而MaSIF-search用于基于互补表面区域快速搜索并对接蛋白质配对。
为了扩展MaSIF框架以捕捉小分子、糖类或其他配体诱导的neosurfaces，研究者开发了MaSIF-neosurf。该工具通过计算蛋白质表面的几何特征（如形状指数和距离依赖曲率）以及化学特征（如Poisson–Boltzmann电荷、氢键供体/受体倾向性和疏水性），生成“指纹”以识别和预测neosurfaces。
研究者在14个配体诱导的蛋白质复合物上进行了基准测试，结果表明，MaSIF-neosurf能够恢复超过70%的正确结合对象和结合姿势。小分子的存在显著增强了相互作用指纹的互补性和接口对接分数，进一步支持了MaSIF-neosurf捕捉neosurface特性的能力。
设计新的配体诱导蛋白质-蛋白质相互作用
研究者提出了基于MaSIF-seed流水线设计新型位点特异性蛋白质结合体的方法，并将其扩展到针对由配体和蛋白质原子组成的neosurfaces。通过MaSIF-site确定潜在界面区域，然后通过指纹搜索和序列优化将这些结合基元接入受体蛋白的骨架，并进一步优化界面处的原子接触。研究者成功设计了针对Bcl2-venetoclax、DB3-配体和PDF1-actinonin复合物的新型结合体，并验证了其在体外和细胞环境中的功能。
实验验证与优化
研究者通过酵母展示法筛选了计算设计的结合体，并在两轮荧光激活细胞分选后对富集克隆进行了深度测序。最佳设计在无配体时不显示结合，但在配体存在时表现出适度至较强的结合信号，与化学诱导的蛋白质-蛋白质相互作用的预期行为一致。
通过位点饱和诱变实验，研究者进一步优化了设计的结合体。例如，DBVen1619_1的结合亲和力为542 nM，经过突变优化后，DBVen1619_2的亲和力提高了42倍。类似地，DBPro1156_1的亲和力从大于10 μM提升至18 nM。这些优化显著改善了结合体的性能，并验证了计算模型的准确性。
基于细胞的功能化
研究者展示了设计的化学诱导蛋白质-蛋白质相互作用系统在细胞环境中的功能化应用。通过构建报告系统，研究者在无细胞系统和哺乳动物细胞中验证了这些系统的活性。例如，在孕激素存在下，报告基因的荧光信号增加了15.8倍，展示了其作为无细胞生物传感器的潜力。此外，设计的CID系统还成功实现了对肿瘤细胞的免疫杀伤，表明其在合成生物学和细胞治疗中的潜力。
简评
这篇文章展示了通过计算设计和深度学习工具结合小分子诱导的蛋白质-蛋白质相互作用系统的创新方法。研究者利用MaSIF-neosurf框架设计了多种化学诱导的结合体，并成功将其应用于细胞系统，验证了其在合成生物学和细胞治疗中的潜力。通过优化设计过程和使用LigandMPNN，作者显著提高了设计的成功率。此外，实验还显示了设计的CID系统可以在无细胞和细胞环境中响应小分子诱导，成功实现了特定的功能化应用，如肿瘤细胞的免疫杀伤。这项研究为合成生物学的新模块开发提供了有效的工具和思路，也为未来创新疗法的设计奠定了基础。
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| SeaKem LE AGAROSE 125G | 50000 | 125G |
