发表在Science上的一篇关于小分子结合蛋白的从头设计的文章，通讯作者是加州大学旧金山分校心血管研究所药物化学系的William F. DeGrado教授和NicholasF. Polizzi博士，他们课题组的主要研究方向是膜蛋白的结构表征和从头设计蛋白，以了解与人类疾病相关的生物学过程并开发新的疗法。

       研究者们已经可以从头设计出以形状选择方式与刚性，扁平，疏水性染料或脂质代谢物结合的蛋白，但从头设计出结合由许多极性原子组成的柔性分子则仍然具有挑战性。使用那些为了填充非极性蛋白质核心而优化的算法，会给设计结合亲水性分子所需的极性腔带来困难。因此，小分子结合蛋白的设计通常需要一次又一次的实验筛选来产生功能，而且大部分是从天然蛋白开始而不是从头开始。

        天然蛋白质在结合高功能性的配体时，会首先产生在特定折叠范围内弱的结合片段的能力。为了模拟此过程，作者开发了一个局部蛋白质结构单元vdM，该结构单元将三级结构与关键相互作用直接联系起来，从而可以将蛋白质折叠直接连接到统计学上青睐的化学基团的结合模式。

     具体来讲，蛋白质的设计依赖于内部的侧链以离散构象（称为rotamers，旋转异构体）的最佳堆积。然而，配体结合蛋白的设计额外还需要侧链与目标小分子相互作用。以前的设计策略是将目标配体在计算上附加到那些具有理想的相互作用几何关系的rotamers上，仅对可能构象空间（尽管可能有数十亿个构象组成）的一小部分进行采样来解决该问题。这些策略很少能够从最初的计算设计中提供亚毫摩尔结合力的结合物，因此后续步骤依赖于实验随机突变和文库筛选。

  在本文中，作者定义了一个类似于rotamer的蛋白质结构单元-van der Mer（vdM），该单元定义了配体中关键化学基团相对于接触残基的骨架原子的位置。vdM是从蛋白质结构非冗余集中收集的，通过（i）识别与特定化学基团相互作用的某种类型的所有残基，（ii）仅对主链和化学基团的配位进行成对叠加，以及（iii）以严格的均方根偏差（RMSD）cutoff进行几何聚类。

      vdM会采样化学基团相对于骨架的位置，这些位置已通过实验支持能够实现良好的相互作用。这样产生的vdMs显示出对骨架ϕ和ψ的依赖性，并捕获了骨架和化学基团位置的补偿作用。因为没有显示考虑侧链配位，单个簇还可能包含多个rotamer。与早期方法中使用的配体附加和反向rotamers不同，vdM可以源自与主链，侧链或两者都有的多价的相互作用。此外，可以将蛋白质数据库（PDB）中给定vdM的“流行程度”用作评分，这可以帮助自动选择结合位点残基进行设计。

作者开发了一种搜索算法，称为“结合位点收敛模体”（COMBS，Convergent Motifs for Binding Sites），以发现满足这些条件的配体的有利的姿态。使用这一策略，作者在可进行参数化设计的四螺旋束的骨架上采样了vdM，从头设计了六个蛋白来结合药物阿哌沙班（apixaban），其中两个有亚摩尔的结合亲和力。X射线晶体学和突变证实了精确设计的空腔结构，该空腔在药物-蛋白质复合物中形成了良好的相互作用。

文章作者：CY

责任编辑：WYK

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6508/1227

原文引用：10.1126/science.abb8330