“Science∣自上而下的从头设计蛋白质”
文献信息：
Isaac D. Lutz, Shunzhi Wang, Christoffer Norn, Alexis Courbet, Andrew J. Borst, Yan Ting Zhao, Annie Dosey, Longxing Cao, Jinwei Xu, Elizabeth M. Leat, Catherine Treichel, Patrisia Litvicov, Zhe Li, Alexander D. Goodson, Paula Rivera-Sanchez, Ana-Maria Bratovianu, Minkyung Baek, Neil P. King, Hannele Ruohola-Baker, David Baker.
https://doi.org/10.1126/science.adf6591
Science 影响因子：63.832
背景介绍
作为进化选择的结果，多个蛋白亚基通过形状互补结合在一起从而形成活性蛋白，然而当前人工设计的方法无法设计具有最优功能结构的蛋白亚基，并使其组装。
作者基于Monte Carlo tree search（MCTs）设计了一种基于“自上而下”的强化学系的方法，可以有效的设计蛋白及其亚基的构想，从而解决上述问题。
通过冷冻电镜观察发现，基于该方法设计的盘状纳米孔和超紧密二十面体蛋白的结构非常接近计算模型。其中，设计的二十面体蛋白能够非常高密度地显示免疫原和信号分子，从而增强疫苗反应和血管生成诱导。
图文解读
图1 自上向下的设计策略与计算方案
（A）自下而上（左）和自上而下（右）的蛋白质组装设计策略示意图。
（B）用于单体骨架生成的Monte Carlo tree search（MCTs）体系结构（左）。
利用MCTS生成算法，生成对称的构建二十面体衣壳。
（C）在算法执行的每步过程中，进行几何检查
（D）与新设计的蛋白质笼(红色)和天然衣壳(绿色)相比，合成的衣壳占据了独特的结构空间。
图2 盘状纳米孔的设计
（A）基于MCTs设计的样品设计示意图，在两个同心环之间建立空间填充连接器，以产生具有不同纳米孔内径的盘状结构。内环被放置在一个宿主外环的中心，改变了旋转和垂直偏移量，从而产生了不同的空隙体积（蓝绿色；箭头上方的中间面板）。然后进行MCTS来密集地填充这些空白体积（蓝色）
（B）RNR_C6_1和RNR_C6_2两个相连的圆盘纳米孔的设计模型（左）和nsEM三维从头算重建图（右）。
（C）分辨率微5.1 Å下，RNR_C6_3的冷冻电镜图相。
图3 设计的衣壳蛋白RC_I_1和RC_I_2的实验表征
（A-B）RC_I_1和RC_I_2的代表性复染色电子显微（nsEM）图像和reference-free 2D class averages。
（C-D）在目标复合物的预期洗脱体积附近，每个SEC洗脱剖面都观察到一个单峰。
（E-G）衣壳计算设计模型。
（F-H）在不同温度下测量的圆二色光谱(°C)。
图4 设计衣壳的近原子分辨率低温电镜结构与设计模型相匹配
（A）沿三个对称轴观察RC_I_1的2.5-Å冷冻电镜重建。
（B）RC_I_1的冷冻电镜图像观察结构，突出了各对称轴上的单体堆积和界面。
（C）各对称界面下RC_I_1与设计模型的叠加和RMSD计算。
（D）单体RC_I_1的叠加和RMSD计算。
（E）RC_I_1衣壳的整体和RMSD计算。
（F）沿三个对称轴观察RC_I_2的冷冻电镜重构。
（G）RC_I_2的冷冻电镜结构，突出了各对称轴上的单体堆积和界面。
（H）RC_I_2的叠加和RMSD计算与各对称界面设计模型的比较。
（I）叠加和RMSD计算的单个单体的RC_I_2。
（J）整个RC_I_2衣壳的覆盖和RMSD计算。
图4 设计衣壳的应用
（A）基于ProteinMPNN的RC_I_1衣壳序列再设计及稳健性研究。
（B）spyTag-，spyCatcher-和gfp融合的RC_I_1-H11的模型和代表性复染色电镜图像。
（C-D）RC_I_1-H11-Fd激活Tie2下游Akt磷酸化和FOXO1易位。
（E）通过平均72小时时间点计算的节点、网格和导管数量来量化血管稳定性。
（F）哺乳动物细胞分泌的RC_I_1颗粒与M15流感HA (MI15-RC_I_1)灵活融合的代表性复染色电镜照片和2D类平均值(插图)。。
（G）在生物层干涉实验中，显示的RC_I_1具有完整的HA抗原性，可与头部(5J8)和茎部(CR9114)抗HA抗体反应。
（H）显示MI15流感HA的RC_I_1(上)和I53_dn5(下)模型。
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