Science丨自主设计蛋白质的时代已经到来

来源：Science | 发布时间：2024-12-23

摘要：2024年来自华盛顿大学的David Baker教授在Science发表了名为《Target-conditioned diffusion generates potent TNFR superfamily antagonists and agonists》的研究成果。文章讨论了在蛋白质设计领域使用目标条件扩散技术开发针对肿瘤坏死因子受体（TNFR）超家族的新型拮抗剂和激动剂。文章详细介绍了通过RF扩散方法设计高特异性、高亲和力的蛋白质配体，并应用于重要药物靶点，特别是TNFR1及其超家族成员OX40和4-1BB。

2024年来自华盛顿大学的David Baker教授在Science发表了名为《Target-conditioned diffusion generates potent TNFR superfamily antagonists and agonists》的研究成果。

文章讨论了在蛋白质设计领域使用目标条件扩散技术开发针对肿瘤坏死因子受体（TNFR）超家族的新型拮抗剂和激动剂。文章详细介绍了通过RF扩散方法设计高特异性、高亲和力的蛋白质配体，并应用于重要药物靶点，特别是TNFR1及其超家族成员OX40和4-1BB。

本研究的目标是通过目标条件扩散（Target-conditioned diffusion）方法，生成针对TNFR超家族的高亲和力蛋白质配体，尤其是TNFR1以及OX40和4-1BB等其他超家族成员。研究旨在探索这些设计蛋白质是否可以在抑制或激活相关生物学信号通路中表现出显著的拮抗或激动作用。

一、引言

蛋白质设计的核心挑战在于设计能够以高亲和力和高特异性结合目标的蛋白质。此前的蛋白质设计大多依赖预先存在的结构框架，或通过免疫化等手段筛选大规模随机文库。然而，这些方法在应对具有平坦、极性表面的目标蛋白时往往效果不佳，尤其是TNFR1等结构复杂的药物靶点。作者提出，通过RF扩散从随机噪声生成匹配目标形状的结合蛋白，能够克服这些难题，并进一步验证了该方法在TNFR超家族靶点上的应用效果。

图1  形状互补结合蛋白的扩散

二、RF扩散方法的原理与应用

RF扩散是一种生成性AI技术，通过逐步去噪随机分布的氨基酸残基，创建符合特定功能需求的蛋白质结构。相比传统依赖框架蛋白的方法，RF扩散允许生成多样化的蛋白质折叠，尤其是针对大范围、平坦表面靶点的蛋白质结合区域。该方法已在蛋白质设计中被证明具有潜力，但此前研究大多基于65个氨基酸的小型框架，局限了其在更大、复杂靶点上的应用。

三、TNFR超家族的挑战与靶向设计

TNFR超家族包含多个重要药物靶点，如TNFR1，该靶点在炎症性疾病中起关键作用。然而，由于TNFR1的表面平坦且极性强，传统蛋白质设计方法很难有效结合这一靶点。为了克服这些障碍，研究团队通过RF扩散生成了大于120个氨基酸的蛋白质骨架，专门设计用于与TNFR1的分散疏水残基结合。通过这种方式，研究人员成功生成了形状与TNFR1互补的蛋白质，并进一步优化其序列以增强其稳定性和结合力。

图2  部分扩散产生皮摩尔粘合剂

图3 部分扩散产生高特异性TNFR2、OX40和4-1BB结合物

四、结合TNFR1的实验验证

研究团队通过表面等离子共振（SPR）实验验证了多种设计蛋白的结合能力，结果显示设计蛋白与TNFR1的解离常数（KD）在纳摩尔级别，显示出良好的结合特异性。此外，部分设计蛋白展示出与TNFR1相似结构的结合方式，具有更大的接触分子表面（CMS）和埋藏溶剂可及表面积（SASA），其性能超越了先前的设计方案。

图4 可溶性低聚物4-1BB和OX40超级激动剂的设计

五、TNFR超家族其他成员的靶向设计

为了进一步扩展RF扩散的应用，研究团队将设计蛋白的靶向范围从TNFR1扩展到TNFR超家族的其他成员，如TNFR2、OX40和4-1BB。通过部分扩散和重新设计，这些蛋白与其相应的受体展示出较高的亲和力和特异性。实验表明，TNFR2的最高亲和力设计达到了198皮摩尔（pM），而OX40和4-1BB的设计也表现出纳摩尔级别的亲和力。

六、拮抗剂与激动剂的设计与功能验证

在进一步的功能验证中，研究人员发现部分设计蛋白能够有效拮抗TNFR1的信号传导，抑制了TNF-α引发的炎症反应。此外，针对OX40和4-1BB的设计蛋白在多价展示后展现了强大的激动作用，能够有效激活T细胞扩增，具有潜在的癌症治疗应用前景。

七、部分扩散技术的优势与展望

部分扩散作为一种优化蛋白质亲和力和特异性的有效手段，被证明能够生成具备高效结合能力的蛋白质。在TNFR超家族的应用中，部分扩散显著提高了设计蛋白的性能，尤其是在亲和力和特异性方面。研究结果显示，部分扩散生成的设计蛋白在多个靶点上展现出极高的结合效率，且无需依赖传统的免疫化或随机筛选。

八、讨论与总结

蛋白质设计在药物开发、诊断等领域有广泛的应用，但设计与目标蛋白高效结合且具有高特异性的新型蛋白质仍然是一个巨大的挑战。传统的蛋白质设计方法通常依赖于预先存在的蛋白质骨架，限制了其在应对具有平坦、极性表面的蛋白质靶点（如肿瘤坏死因子受体 TNFR1）时的应用效果。该研究提出了一种新方法，使用基于随机噪声生成的RF扩散（RFdiffusion）技术来开发高亲和力和特异性的TNFR超家族拮抗剂和激动剂。

该研究通过创新的RF扩散方法，为蛋白质设计领域开辟了新的方向。通过在多个TNFR超家族靶点上成功生成高效结合蛋白，研究团队证明了目标条件扩散技术的广泛应用潜力。这一技术不仅能够为药物开发提供有效的工具，还为未来的蛋白质工程提供了新的思路。RF扩散和部分扩散方法的结合展示出生成高亲和力、高特异性蛋白质的强大能力，未来或将在更广泛的蛋白质设计领域得到应用。