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Science:计算生物方法设计抗流感病毒药物新思路

来源:生命科学论坛 2011-05-13 21:17

[摘要]研究人员描述了一种用来设计蛋白的计算方法,蛋白设计物能结合到大分子标的物表面上一个区域。根据此方法,可以确定出未固定到蛋白骨架上的氨基酸残基与靶分子表面的有益的相互作用,并将它们用于锚定从头设计出的蛋白界面上。研究人员通过该方法设计出来的蛋白,能够结合到广泛流行性病毒1918 H1N1蛋白血凝素(HA)主干上的一个保守的表面区域。经过亲和力成熟(affinity maturation)后,这些设计出的蛋白当中,有两个蛋白HB36和HB80能结合到H1和H5的血凝素上,同时表现出较低的纳摩尔级亲和力(low nanomolar affinity)。再者,HB80能抑制低pH条件下诱导的血凝素融膜性的构象变化。HB36与1918/H1血凝素复合物的晶体结构揭示实际的结合界面几乎与计算设计模型上的界面一样。这种设计出来的能与靶分子结合的蛋白可能在诊断和治疗领域有用。

流感病毒血凝素主干(灰色和黄色)与蛋白设计物(绿色)结合模型(by David Baker)

根据2011年5月13人发布在Science杂志上的一篇研究论文,计算生物学者们设计并制造出两个新的蛋白,它们能牢固地结合到流感病毒得以侵入细胞的一个关键性的蛋白。这些新蛋白是在世界各地20多万台个人计算机的帮助下而设计出来的。它们可能有朝一日适合作为有效的抗病毒治疗药物。长期而言,这种方法完全有可能成为应用于诊断和治疗领域的抗体技术的有力补充。

为了设计出能与一个标的物(如病原蛋白)相互作用的蛋白,研究人员可以从大量的蛋白结构文库中查询,以便找到几个与靶分子大致互补的蛋白,然后微调这些蛋白结构而使得它们与靶分子结合更牢固。或者,研究人员将病原体引入动物体内,强迫动物免疫系统对病原靶分子产生免疫反应,然后从产生的众多抗体当中筛选出合适的抗体。

前一种方法,研究人员可以控制设计出的蛋白在哪些位点以及怎样结合靶分子,但是这些蛋白很可能与靶分子结合不牢固。而后面一种更贴近自然的方法能产生对靶分子有高亲和力的抗体,但是研究人员很少能控制抗体-抗原结合的动力学。

然而随着靶分子的快速变异,如流感病毒的表面蛋白血凝素(hemagglutinin),它的大部分区域都不断的突变和变化从而躲避宿主抗体的结合,即便之前能很好结合的抗体也很快变得无用。

为了解决这个难题,华盛顿大学的计算生物学者David Bake和他的同事将研究重点聚焦于血凝素中一个相当稳定的区域,而且该区域在很多流感病毒菌株中高度保守。已经证实,结合到这个保守区域的抗体能够阻止病毒外壳与宿主细胞膜融合而导致的感染。

将这种保守区域作为研究对象,研究人员不得不反过头来解决这个问题,首先搜寻这个区域中蛋白能够牢固结合的藏匿处(nooks and crannies),然后再确定一串氨基酸序列,这些序列能契合进这些藏匿处,且能作为吊钩的形式发挥作用。

一旦能构建一个完整的氨基酸序列吊钩文库,研究人员就可以搜索到结构已知的蛋白,它们大致能契合进血凝素的构象中,作为蛋白骨架容纳氨基酸序列吊钩。

随后,研究人员修饰这些骨架蛋白的空间定位和序列,以便固定住氨基酸序列吊钩,这样氨基酸序列吊钩就可以与血凝素相互作用。由于这是一项重要但又费时的方法,研究人员向公众寻求帮助解决和优化这些蛋白的三维结构。大约25万名自愿者下载了Baker实验室开发的免费软件,这个软件能让自愿者家中的电脑为这项复杂的运算提供计算能力。

加州大学旧金山分校的计算生物学家Tanja Kortemme认为,这个设计方法非常别出心裁,为了解决问题,首先寻找能与靶分子相互作用的氨基酸侧链,然而去寻找一个能够展示这些侧链的分子骨架。

最终,研究人员找到了大约80个新蛋白。当它们在酵母膜上表达的时候,只有两个能结合到血凝素上,而且结合强度还可通过微调氨基酸序列得到进一步改善。

Baker说,成功率仍然太低了。然而,在能结合到血凝素上的两个设计的新蛋白中,通过比较其中一个新蛋白的晶体结构与据以设计出该蛋白的初始计算模型,Baker发现它们完全重合。这是从头蛋白设计(de novo protein design)方法的一个异常罕见的成功实例。尽管这个模型仍然需要改善,但是它能够成功地预测两个蛋白之间的相互作用。\\生命科学论坛\\ towersimper

towersimper博文:http://bbs.bioon.net/bbs/home.php?mod=space&uid=139460&do=blog&id=90275

注:版权所有,欢迎转载,转载请注明来源作者。

一个蛋白设计物与血凝素的结合物的X射线结构图(by David Baker)

生物谷推荐原文出处:

Science 13 May 2011:Vol. 332 no. 6031 pp. 816-821 DOI: 10.1126/science.1202617

Computational design of proteins targeting the conserved stem region of influenza hemagglutinin

Sarel J. Fleishman, Timothy A. Whitehead, Damian C. Ekiert, Cyrille Dreyfus, Jacob E. Corn, Eva-Maria Strauch, Ian A. Wilson, and David Baker

Abstract

We describe a general computational method for designing proteins that bind a surface patch of interest on a target macromolecule. Favorable interactions between disembodied amino acid residues and the target surface are identified and used to anchor de novo designed interfaces. The method was used to design proteins that bind a conserved surface patch on the stem of the influenza hemagglutinin (HA) from the 1918 H1N1 pandemic virus. After affinity maturation, two of the designed proteins, HB36 and HB80, bind H1 and H5 HAs with low nanomolar affinity. Further, HB80 inhibits the HA fusogenic conformational changes induced at low pH. The crystal structure of HB36 in complex with 1918/H1 HA revealed that the actual binding interface is nearly identical to that in the computational design model. Such designed binding proteins may be useful for both diagnostics and therapeutics.

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