为大家分享一篇发表在Science上的文章Binding and sensing diverse small molecules using shape-complementary pseudocycles，通讯作者是来自华盛顿大学的David Baker教授，他是蛋白质设计领域的领军科学家。
小分子结合蛋白的设计比蛋白质结合剂的设计更具挑战性，因为小分子中可相互作用的原子更少，且对于柔性、极性的小分子尤其困难。极性基团在未结合状态下与水形成氢键，必须与蛋白形成氢键取代才能有利结合；且柔性化合物在结合时会产生相当大的熵损失，必须通过广泛的有利相互作用来补偿。此前小分子结合蛋白设计方面的成功主要集中在刚性、疏水的靶标上，并且需要大量的实验优化才能将亲和力从微摩尔提高到纳摩尔水平。除亲和力之外，另一个普遍未能解决的挑战是将结合事件转导为下游信号。本文作者假设，与基于固定支架的方法相比，从鉴定与小分子具有高度形状互补性的蛋白质支架开始的设计方法可能实现更高的结合亲和力。作者进一步推断，倘若支架蛋白可以分成两个或多个独立折叠的结构域，使得支架蛋白的缔合依赖于小分子结合，那么小分子结合蛋白可以很容易地转化为传感器。Linna An等人此前发表在Nat. Struct. Mol. Biol.杂志上的文章，描述了通过Hallucination方法设计含有中央口袋的闭合重复蛋白。根据结构单元的几何形状和伪环的单元数量，中心口袋可以具有广泛的尺寸和形状范围，因而可能结合不同的小分子。作者选择了胆酸(CHD)、甲氨蝶呤(MTX)、甲状腺素(T44)和一种从头设计的细胞渗透性环状四肽AMA作为研究对象，使用Rosetta将这些配体对接到具有高形状互补性的伪环支架中，随后使用Rosetta和最近开发的LigandMPNN方法对较好的对接结构进行序列设计，最后使用AF2折叠设计结构并计算与配体的相互作用能，为每个靶标选择了5000到10000个设计进行实验表征。通过将设计展示在酵母细胞表面，借助FACS技术和深度测序，作者能够得到两种CHD结合剂，FP测定的解离常数KD为3.2~5.3uM，并解析了晶体结构。作者还展示了可以通过进行第二轮设计，在伪环支架周围进行骨架采样来得到更高亲和力的结合剂。最后，考虑到这种伪环支架折叠过程中的相互作用主要发生在重复单元内部和相邻单元之间，可以通过蛋白质工程将结合剂转化为传感器。作者通过分裂-融合和对称设计两种策略，将结合剂转化为小分子诱导的蛋白质开关和小分子诱导的化学二聚系统，使其能够作为特定小分子的生物传感器。总的来说，本文描述的基于伪环支架的设计方法超越了以前的小分子结合剂设计研究，通过形状互补性和基于深度学习的蛋白质结构预测和设计，能够对不同的小分子生成高亲和力的蛋白结合剂，具有广阔的应用前景。原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn3780文章引用：DOI：10.1126/science.adn3780
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