Новый дизайн модульного пептида

Apr 06, 2023

Nature, том 616, страницы 581–589 (2023 г.) Процитировать эту статью

29 тысяч доступов

118 Альтметрика

Подробности о метриках

Общие подходы к созданию белков, связывающих пептиды со специфичной последовательностью, могут иметь широкое применение в протеомике и синтетической биологии. Однако разработка пептидсвязывающих белков является сложной задачей, поскольку большинство пептидов изолированно не имеют определенной структуры, и водородные связи должны образовываться со скрытыми полярными группами в пептидном остове1,2,3. Здесь, вдохновленные природными и модернизированными белково-пептидными системами4,5,6,7,8,9,10,11, мы решили создать белки, состоящие из повторяющихся единиц, которые связывают пептиды с повторяющимися последовательностями с помощью одно- соответствие между повторяющимися единицами белка и повторяющимися единицами пептида до одного. Мы используем геометрическое хеширование для идентификации белковых остовов и механизмов стыковки пептидов, которые совместимы с бидентатными водородными связями между боковыми цепями белка и пептидным остовом12. Оставшуюся часть белковой последовательности затем оптимизируют для сворачивания и связывания пептидов. Мы разрабатываем повторяющиеся белки для связывания с шестью различными последовательностями трипептидных повторов в конформациях полипролина II. Белки гиперстабильны и связываются с четырьмя-шестью тандемными повторами своих трипептидных мишеней с наномолярным или пикомолярным сродством in vitro и в живых клетках. Кристаллические структуры демонстрируют повторяющиеся взаимодействия между белками и пептидами, как это было задумано, включая лестницы водородных связей от боковых цепей белка к остову пептида. Перепроектируя интерфейсы связывания отдельных повторяющихся единиц, можно достичь специфичности для неповторяющихся пептидных последовательностей и для неупорядоченных участков нативных белков.

Ряд встречающихся в природе семейств белков связываются с пептидами с повторяющимися внутренними последовательностями7,9. Белки с повторами броненосцев, которые включают в себя ядерные рецепторы импорта, связываются с расширенными пептидами с последовательностями, богатыми лизином и аргинином, так что каждая повторяющаяся единица в пептиде вписывается в повторяющуюся единицу или модуль в белке5,8. Предыдущие исследования показали, что специфичность отдельных повторяющихся единиц белка может быть изменена, что обеспечивает более широкое распознавание пептидных последовательностей6,11,13,14. Хотя этот подход является мощным, он ограничен связыванием пептидов в конформациях основной цепи, совместимых с геометрией повтора броненосца. Белки с тетратрикопептидными повторами связываются с пептидами с разнообразными последовательностями и конформациями с меньшим (микромолярным) сродством (за исключениями см. ссылки 15,16,17) и с отклонениями в каждом регистре пептид-белкового взаимодействия, что усложняет инженерию для более общих распознавание пептидов4,9,10.

Мы намеревались обобщить распознавание пептидов с помощью модульных каркасов повторяющихся белков на произвольную геометрию повторяющегося пептидного остова. Это требует решения двух основных задач: во-первых, построение белковых структур с расстоянием между повторами и ориентацией, совпадающими с конформацией целевого пептида; и, во-вторых, обеспечение замены водородных связей пептид-вода в несвязанном состоянии на водородные связи пептид-белок в связанном состоянии. Первая задача имеет решающее значение для модульного и расширяемого распознавания последовательностей: если отдельные повторяющиеся единицы в белке должны связывать отдельные повторяющиеся единицы на пептиде в одной и той же ориентации, геометрическая фазировка повторяющихся единиц на белке и пептиде должна быть совместима. Вторая задача важна для достижения высокого сродства связывания: в конформациях, отличных от α- и 310-спирали, группы NH и C=O образуют водородные связи с водой в несвязанном состоянии, которые необходимо заменить водородными связями с белком при связывании, чтобы избежать существенных потерь свободной энергии15.

Чтобы решить первую проблему, мы пришли к выводу, что необходимым (но недостаточным) критерием синфазного геометрического соответствия между повторяющимися единицами сконструированного белка и повторяющимися единицами пептида является соответствие между суперспиралями, которые они прослеживают. Все повторяющиеся полимерные структуры образуют суперспирали, которые можно описать тремя параметрами: трансляцией (подъёмом) вдоль оси спирали на единицу повтора; вращение (закручивание) вокруг этой оси; и расстояние (радиус) центроида повторяющейся единицы от оси 18,19 (рис. 1а). Мы создали большие наборы повторяющихся белковых остовов, которые использовали широкий диапазон суперспиральной геометрии (см. «Методы»). Затем мы создали соответствующие наборы повторяющихся пептидных остовов путем случайной выборки дипептидных и трипептидных конформаций (избегая внутрипептидных стерических столкновений), а затем повторив их 4–6 раз для создания пептидов с 8–18 остатками. Затем мы провели поиск совпадающих пар белковых и повторяющихся пептидных остовов, требуя, чтобы подъем находился в пределах 0,2 Å, поворот был в пределах 5°, а радиус отличался как минимум на 4 Å (разница в радиусе необходима для того, чтобы избегайте столкновения между пептидом и белком; пептид может заворачиваться как снаружи, так и внутри белка).