모듈형 펩타이드의 새로운 디자인

Apr 06, 2023

Nature 616권, 581~589페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

서열 특이적 펩타이드 결합 단백질을 설계하기 위한 일반적인 접근법은 단백질체학과 합성 생물학에서 폭넓게 유용할 것입니다. 그러나 대부분의 펩타이드는 분리된 구조를 정의하지 않고 펩타이드 백본에 묻혀 있는 극성 그룹에 수소 결합을 만들어야 하기 때문에 펩타이드 결합 단백질을 설계하는 것은 어렵습니다. 여기서는 천연 및 재설계된 단백질-펩타이드 시스템4,5,6,7,8,9,10,11에서 영감을 받아 반복 서열로 펩타이드를 결합하는 반복 단위로 만들어진 단백질을 설계하기 시작했습니다. 단백질의 반복 단위와 펩타이드의 반복 단위 사이의 일대일 대응. 우리는 기하학적 해싱을 사용하여 단백질 측쇄와 펩타이드 백본 사이의 두자리 수소 결합과 호환되는 단백질 백본과 펩타이드 도킹 배열을 식별합니다. 그런 다음 단백질 서열의 나머지 부분은 접힘 및 펩타이드 결합을 위해 최적화됩니다. 우리는 폴리프롤린 II 구조에서 6개의 서로 다른 삼중펩티드-반복 서열에 결합하도록 반복 단백질을 설계합니다. 이 단백질은 초안정적이며 시험관 내 및 살아있는 세포에서 나노몰에서 피코몰 친화도로 트리펩타이드 표적의 4~6개 직렬 반복에 결합합니다. 결정 구조는 단백질 측쇄에서 펩타이드 백본까지의 수소 결합 사다리를 포함하여 설계된 대로 단백질과 펩타이드 상호 작용 간의 반복적인 상호 작용을 나타냅니다. 개별 반복 단위의 결합 인터페이스를 재설계함으로써 비반복 펩타이드 서열과 천연 단백질의 무질서한 영역에 대한 특이성을 얻을 수 있습니다.

자연적으로 발생하는 다수의 단백질 계열은 반복되는 내부 서열을 사용하여 펩타이드에 결합합니다7,9. 핵 수입 수용체를 포함하는 아르마딜로 반복 단백질은 리신 및 아르기닌이 풍부한 서열을 가진 확장된 펩타이드에 결합하여 펩타이드의 각 반복 단위가 단백질의 반복 단위 또는 모듈에 적합하도록 합니다5,8. 이전 연구에서는 개별 단백질 반복 단위의 특이성이 재설계될 수 있으며, 이를 통해 펩타이드 서열6,11,13,14을 더 광범위하게 인식할 수 있음을 보여주었습니다. 이 접근법은 강력하지만 아르마딜로 반복의 기하학적 구조와 호환되는 백본 형태의 펩타이드 결합으로 제한됩니다. 테트라트리코펩타이드-반복 단백질은 더 낮은(마이크로몰) 친화력(예외, 참고문헌 15,16,17 참조)과 각 펩타이드-단백질 상호작용 레지스터의 편차를 갖는 다양한 서열 및 구조를 갖는 펩타이드에 결합하므로 보다 일반적인 엔지니어링을 복잡하게 만듭니다. 펩타이드 인식4,9,10.

우리는 모듈식 반복 단백질 지지체에 의한 펩타이드 인식을 임의의 반복 펩타이드 백본 형상으로 일반화하기 시작했습니다. 이를 위해서는 두 가지 주요 과제를 해결해야 합니다. 첫째, 표적 펩타이드 구조와 일치하는 반복 간격과 방향으로 단백질 구조를 구축하는 것입니다. 둘째, 결합되지 않은 상태의 펩타이드-물 수소 결합을 결합 상태의 펩타이드-단백질 수소 결합으로 대체하는 것입니다. 첫 번째 과제는 모듈식 및 확장 가능한 서열 인식에 매우 중요합니다. 단백질의 개별 반복 단위가 펩타이드의 개별 반복 단위를 동일한 방향으로 결합하려면 단백질과 펩타이드의 반복 단위의 기하학적 위상이 호환되어야 합니다. 두 번째 과제는 높은 결합 친화력을 달성하는 데 중요합니다. α-나선 및 310-나선 이외의 구조에서 NH 및 C=O 그룹은 수소 결합으로 대체되어야 하는 결합되지 않은 상태의 물과 수소 결합을 만듭니다. 상당한 자유 에너지 패널티가 발생하는 것을 피하기 위해 결합 시 단백질.

첫 번째 과제를 해결하기 위해 우리는 설계된 단백질의 반복 단위와 펩타이드의 반복 단위 사이의 동위상 기하학적 일치에 대한 필요하지만 충분하지는 않은 기준은 두 가지가 추적하는 초나선 사이의 일치라고 추론했습니다. 모든 반복 고분자 구조는 세 가지 매개변수로 설명할 수 있는 초나선을 추적합니다. 반복 단위당 나선형 축을 따른 이동(상승); 이 축을 중심으로 한 회전(비틀림); 축으로부터 반복 단위 중심의 거리(반경)18,19(그림 1a). 우리는 광범위한 초나선형 기하학을 샘플링한 대규모 반복 단백질 백본 세트를 생성했습니다(방법 참조). 그런 다음 di-peptide 및 tri-peptide 구조를 무작위로 샘플링(펩티드 내 입체 충돌 방지)하고 4-6회 반복하여 8-18 잔기 펩티드를 생성하여 해당 반복 펩티드 백본 세트를 생성했습니다. 그런 다음 반복 단백질과 반복 펩티드 백본의 일치하는 쌍을 검색했습니다. 상승은 0.2 Å 이내, 비틀림은 5° 이내, 반경은 최소 4 Å만큼 달라야 합니다(반경의 차이는 다음과 같습니다). 펩타이드와 단백질 사이의 충돌을 피하십시오. 펩타이드는 단백질 외부 또는 내부를 감쌀 수 있습니다.