全原子蛋白質(zhì)序列設(shè)計中取得新進(jìn)展

基于骨架結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)序列設(shè)計是全新蛋白質(zhì)設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。近年來，隨著深度學(xué)習(xí)方法和技術(shù)的發(fā)展，全新蛋白質(zhì)序列設(shè)計取得了重要進(jìn)展。其中代表性的工作包括ProteinMPNN、ABACUS-R、ProDesign-LE等，都在序列設(shè)計中取得了重要進(jìn)展，并進(jìn)行了相應(yīng)的實驗驗證。然而，這些代表性的方法在模型訓(xùn)練和結(jié)果輸出中均沒有直接考慮蛋白質(zhì)側(cè)鏈的原子細(xì)節(jié)信息。一方面，蛋白質(zhì)側(cè)鏈構(gòu)象對蛋白質(zhì)執(zhí)行功能具有重要作用。另一方面，大量的序列設(shè)計算法依賴結(jié)構(gòu)預(yù)測來評估設(shè)計序列的可靠性，而單序列結(jié)構(gòu)預(yù)測依舊是一個非常大的挑戰(zhàn)。近期，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院/前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心/北京大學(xué)成都前沿交叉生物技術(shù)研究院教授來魯華和北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院副研究員張長勝團(tuán)隊發(fā)展了全原子蛋白質(zhì)序列設(shè)計的深度學(xué)習(xí)算法GeoSeqBuilder，這一成果近期發(fā)表于Angewandte Chemie1，文章初稿2024年3月以預(yù)印本形式發(fā)表2。GeoSeqBuilder在生成序列的同時，也給出了高精度的側(cè)鏈構(gòu)象，可以更直接給出原子之間的相互作用，不需要進(jìn)行單序列結(jié)構(gòu)預(yù)測。GeoSeqBuilder在天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、全新設(shè)計結(jié)構(gòu)和酶的序列設(shè)計的實驗測試中獲得了高成功率，解析的晶體結(jié)構(gòu)與設(shè)計結(jié)構(gòu)模型在原子尺度細(xì)節(jié)上高度吻合。

GeoSeqBuilder主要包含三部分：（1）多尺度圖卷積網(wǎng)絡(luò)用于學(xué)習(xí)中心殘基周圍5階鄰居的環(huán)境信息；（2）三角網(wǎng)絡(luò)用于表示學(xué)習(xí)殘基水平的二體和三體相互作用；（3）迭代模塊基于以上網(wǎng)絡(luò)從起始序列出發(fā)更新序列，多步迭代后得到收斂序列。GeoSeqBuilder最終輸出設(shè)計序列對應(yīng)的蛋白質(zhì)全原子模型。

GeoSeqBuilder在CATH4.3數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練和驗證，序列恢復(fù)率達(dá)到了52%，與ProteinMPNN等方法的表現(xiàn)類似。此外，GeoSeqBuilder設(shè)計出來的各位點的殘基類型通常和野生型具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)。GeoSeqBuilde生成的各種殘基的豐度與天然蛋白類似。GeoSeqBuider對側(cè)鏈構(gòu)象預(yù)測的結(jié)果也遠(yuǎn)優(yōu)于基于傳統(tǒng)能量函數(shù)的方法FASPR和Scwrl4.

該工作首先選擇了兩個典型的蛋白質(zhì)折疊骨架對GeoSeqBuilder生成的序列進(jìn)行實驗驗證，包括天然硫氧還原蛋白（1FB0）和通過幻想模型人工設(shè)計的螺旋束骨架（0705）。作者分別為其設(shè)計了9條和6條序列，這些序列均可以在大腸桿菌中以可溶形式表達(dá)。對硫氧還原蛋白重新設(shè)計的序列具有很高的熱穩(wěn)定性，熱變性溫度較野生型蛋白提高了40攝氏度，X-射線晶體學(xué)結(jié)構(gòu)解析表明設(shè)計的全原子模型與所解出的晶體結(jié)構(gòu)高度吻合，并且設(shè)計蛋白質(zhì)擁有新的疏水堆積核心。

以上結(jié)果表明GeoSeqBuilder學(xué)習(xí)到了蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)和序列的關(guān)系，可以在保持蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)正確性的同時設(shè)計出新的疏水核心。一般認(rèn)為疏水核心在蛋白序列的自然進(jìn)化過程中是比較保守的，疏水核心重新設(shè)計后的蛋白是否還會保持原有的功能是一個很有趣的問題。作者選擇細(xì)胞鐵死亡中的關(guān)鍵蛋白谷胱甘肽過氧化物酶（gpx4，PDB代碼2obi）作為研究對象，固定gpx4的溶劑暴露殘基位點，只設(shè)計gpx4的疏水核心區(qū)域，并選擇5條序列進(jìn)行實驗驗證，其中4條序列的蛋白可以測出gpx4的酶反應(yīng)活性，3條活性高于野生型蛋白。作者隨后解出了這4個有酶活性的設(shè)計蛋白的高分辨晶體結(jié)構(gòu)，均與計算設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型在原子水平上高度一致。

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