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    西湖大學Nature: 世界首個從頭設(shè)計的跨膜熒光激活蛋白

    跨膜蛋白在細胞內(nèi)外物質(zhì)交換和信息傳遞中起著關(guān)鍵作用,是細胞維持正常生命活動及對環(huán)境信號做出響應(yīng)所必需的。許多跨膜蛋白的生理功能依賴于與特定配體分子的相互作用。因此,探究跨膜蛋白與配體分子識別和結(jié)合的機制一直是生物學研究的重點課題。從頭設(shè)計能夠結(jié)合特定配體分子的跨膜蛋白,是蛋白質(zhì)設(shè)計領(lǐng)域的重要目標之一。實現(xiàn)這一目標不僅在生物傳感、分子檢測等生物學工具的研發(fā)領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力,還能深化我們對跨膜蛋白與小分子配體相互作用機制的認識,意義重大。



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        然而,由于膜環(huán)境與膜蛋白本身的復雜性,膜蛋白在表達、純化和表征上面臨諸多挑戰(zhàn),導致其在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(PDB)中的結(jié)構(gòu)數(shù)量相對較少。人們對膜蛋白折疊、定位和功能機制的理解不如水溶蛋白深入,因此跨膜蛋白的從頭設(shè)計難度更大。由于小分子結(jié)合蛋白的從頭設(shè)計問題尚未完全攻克,再加之跨膜蛋白骨架采樣的局限性以及在疏水性膜環(huán)境中構(gòu)建空腔和極性相互作用等挑戰(zhàn),使得精確設(shè)計能夠特異性結(jié)合指定配體的跨膜蛋白成為一項懸而未決的難題。


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        北京時間2025年2月20日,西湖大學未來產(chǎn)業(yè)研究中心、生命科學學院、西湖實驗室盧培龍課題組,在Nature雜志在線發(fā)表題為De novo design of transmembrane fluorescence-activating proteins的論文,首次實現(xiàn)了跨膜熒光激活蛋白的從頭設(shè)計,這也是第一個通過人工設(shè)計得到的能夠非共價結(jié)合特定小分子的跨膜蛋白。



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        在這項最新研究中,研究團隊使用 Rosetta 軟件進行序列設(shè)計和優(yōu)化,結(jié)合 AlphaFold2 進行結(jié)構(gòu)預測和驗證。首先設(shè)計了一個穩(wěn)定的四螺旋束結(jié)構(gòu)的水溶性熒光激活蛋白(wFAP),該蛋白具有一個中央口袋,能夠結(jié)合并激活熒光配體(HBC599),其中 wFAP1.1 和 wFAP1.2 變體表現(xiàn)出較高的熒光激活能力和結(jié)合親和力,與 HBC599 的親和力達到納摩爾級別,使其熒光亮度激活超過 1600 倍,結(jié)合態(tài)的亮度和量子產(chǎn)率均優(yōu)于常用的增強型綠色熒光蛋白(EGFP)。



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        在 wFAP 的基礎(chǔ)上,研究團隊通過重新設(shè)計表面氨基酸殘基,將其轉(zhuǎn)化為跨膜蛋白,同時盡量減少對配體結(jié)合口袋結(jié)構(gòu)的擾動。使用 ColabDesign 框架進行跨膜序列的生成,結(jié)合AlphaFold2 進行結(jié)構(gòu)預測和優(yōu)化,從而設(shè)計出了跨膜熒光激活蛋白(tmFAP)。其中,tmFAP1.2 變體表現(xiàn)出最高的結(jié)合親和力和量子產(chǎn)率。冷凍電鏡結(jié)構(gòu)驗證顯示,這些蛋白的結(jié)構(gòu)與設(shè)計模型高度一致。研究團隊還在活細菌和真核細胞中表達了這些設(shè)計的 tmFAP 蛋白,結(jié)果顯示,這些蛋白在細胞中表達后會自發(fā)定位到細胞膜組分中,并能夠特異性激活熒光配體(HBC599)的熒光,且在膜環(huán)境中表現(xiàn)出較高的亮度和量子產(chǎn)率。



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        該研究采用深度學習方法,解決了設(shè)計跨膜區(qū)時引起的核心結(jié)構(gòu)及配體結(jié)合口袋結(jié)構(gòu)擾動問題,實現(xiàn)了小分子結(jié)合跨膜蛋白的精確設(shè)計,為跨膜蛋白的從頭設(shè)計提供了新范式。該方法使小分子結(jié)合跨膜蛋白的設(shè)計不再依賴天然蛋白骨架,且可針對任意小分子進行設(shè)計,為定制化功能的跨膜蛋白從頭設(shè)計奠定了基礎(chǔ),如轉(zhuǎn)運體蛋白及配體門控離子通道等。此外,可以沿用設(shè)計 tmFAP 的思路,進一步開發(fā)可遺傳編碼的生物探針。在膜蛋白穿膜區(qū)設(shè)計熒光化學探針結(jié)合位點,使其響應(yīng)膜兩側(cè)的物理或化學信號。這種生物探針不僅具有膜蛋白可控表達的組織和位置特異性優(yōu)勢,還兼具化學探針的高靈敏度和高信噪比特性,在檢測跨膜電壓和 pH 梯度等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。



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        在本研究中,使用了Implen Nanophotometer? N60用于跨膜熒光激活蛋白tmFAP的濃度測量,以通過公式計算相對熒光單位RFU值,獲得tmFAP的熒光表征。Nanophotometer?采用的樣品壓縮法,無需依賴于樣品的表面張力,在檢測過程中無需形成樣品液柱,特別適合于測量膜蛋白的濃度(含去垢劑樣品),廣泛應(yīng)用于(膜)蛋白結(jié)構(gòu)生物學研究領(lǐng)域,如納米盤構(gòu)建及冷凍電鏡樣品濃度定量。新的科研成果,總有Implen的身影,Nanophotometer? - 蛋白質(zhì)科學研究的好伙伴。



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