Nature两连发：从头设计开关蛋白，为细胞治疗带来新思路！

作者：Blake

近日，华盛顿大学和旧金山加利福尼亚大学的生物工程师开发了一种从头设计的开关蛋白，可以在细胞中通过明确的细胞信号打开和关闭，而不是模糊的匹配信号。这种开关可以用于对活细胞进行编程，为合成生物学和细胞重编程开辟了新的道路。

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该开关蛋白呈现笼状结构，工作方式类似于小孩子喜欢的玩偶盒。然而，它的内部机制并不是随机开关的。笼状结构由六个螺旋蛋白组成，其中一个是一个类似门锁的分子。根据其结构，它可以打开或关闭不同的功能单元，进而可以改变基因表达，改变细胞中分子的运输方向，降解特定的蛋白质，或者控制蛋白质结合的相互作用。

LOCKR蛋白示意图

开关系统依赖于LOCKR（Latching Orthogonal Cage–Key pRotein）技术，两篇论文共同发表在7月24日的Nature杂志上。第一篇论文(“De novo design of bioactive protein switches”)描述了开关系统设计背后的考虑因素：

“首先，因为许多残基的相互作用相似，在一个同一位置的分子间竞争和分子内竞争控制的系统中，两个状态之间的编程自由能差异比远程位置的变构活化更为直接。第二，一个稳定的蛋白质框架具有可用于竞争性相互作用的扩展结合表面，与仅在结合后才被排序的框架相比，它更易于编程且不太可能参与非目标相互作用。”

在这篇文章中，UW和UCSF的科学家们通过开关三种不同的功能证明了LOCKR的强大和普遍性：促凋亡肽的结合、降解决定子介导的蛋白质降解和通过核输出序列的蛋白质定位。

本文作者总结道：“LOCKR将DNA开关技术的可编程性引入蛋白质领域，与天然蛋白互作网络相比，它具有可调控性和灵活性，与DNA纳米技术相比更容易实现生物编程。”长远来看，复杂的环境敏感和可转换功能的领域不再只属于自然发生的蛋白质。

在第二篇论文(“Modular and tunable biological feedback control using a de novo protein switch”)中，UW和UCSF的科学家描述了他们如何利用LOCKR的即插即用特性来实现内源性信号通路和合成基因电路的反馈控制。

他们首先在酵母杂交信号通路中通过融合与内源性信号分子产生合成的负反馈和正反馈。接下来，在一个合成基因电路上评估由LOCKR介导的反馈控制，以量化反馈控制电路的反馈能力和操作范围。

作者表示，模块化在哺乳动物细胞中的应用，将会推进细胞治疗技术和生物技术的广泛应用。例如，LOCKR反馈控制可以通过调节合成受体的活性和内部信号动力学来改善CAR-T细胞治疗，或者限制代谢途径中有毒中间体的产生。通过设计蛋白来控制细胞功能，开创了生物学的新纪元。“就像集成电路推动计算机芯片产业的爆炸一样，这些多功能和动态的生物开关很快就可以对活细胞行为进行精确控制，并最终用来改善我们的健康”。

一个LOCKR开关在细胞内组装完成后，长度只有8纳米。LOCKR不仅在是人工合成的，而且与其他生物工程工具都不同，包括最近的光遗传学和CRISPR技术。虽然它的前身是在自然界中被发现的，然后被重新加工用于实验室、工业或医学，但LOCKR是第一个完全由科学家构想和设计出来的分子工具。

细胞接受外界信号刺激后，就会做出相应的应答。例如，它们使用细胞的天然系统调节基因表达或降解蛋白质。”每时每刻，细胞都在对环境做出应答。

Langan和他的同事们开始创造一种新的方式来与这些细胞系统进行交互。他们使用计算机来设计自组装蛋白，这种自组装蛋白只在添加特定的分子开关后才具有生物活性。

在酵母中的LOCKR调控的蛋白降解

通过对酵母中安装的LOCKR的研究，研究人员证明基因工程酵母可以在设定的时间降解特定的蛋白。通过对分子开关的重新设计，在人类细胞中也观察到了同样的效果。

为了维持细胞正常功能，细胞必须严格控制其生化过程。即使是一个基因的异常表达，或者是错误折叠的蛋白质的积累，都会破坏细胞的功能，进而导致细胞死亡甚至癌变。LOCKR为科学家们提供了一种与活细胞相互作用的新方法，该方法可以为癌症、自身免疫性疾病等多种疾病的治疗提供新的思路。

LOCKR为细胞编程领域开辟了一个全新的天地，在不久的将来，生物和医学的研究将不受限于天然的蛋白，而是取决于于我们的想象力和创造力。（转化医学网360zhyx.com）

参考文献：

[1] Modular and tunable biological feedback control using a de novo protein switch. 2019

DOI:10.1038/s41586-019-1425-7

[2] De novo design of bioactive protein switches. 2019

DOI:10.1038/s41586-019-1432-8