诺奖得主David Baker最新Nature：受千纸鹤启发，设计新型蛋白纳米笼，用于药物递送

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

千纸鹤有着优雅的纸翅膀和棱角分明的喙，这是依靠对称的折叠模式来实现优美的外形。这种对称性反映了真实鸟类的左右两侧的平衡，并使得我们可以用更少的步骤折叠处复杂的纸鹤。但为了区分千纸鹤的头和尾，必须摆脱严格对称，在一端进行一步额外的步骤折叠出喙，这种这种微妙的变化允许了完美对称无法实现的独特特征。

从叠千纸鹤得到灵感，David Baker团队和Neil King团队将不对称性引入了蛋白质纳米笼（protein nanocage）的设计中，构建出了比之前设计的大得多的蛋白质纳米笼（直径可达100纳米，是AAV病毒衣壳体积的90倍），这种新型蛋白质纳米笼可作为先进的递送载体，将治疗药物递送到体内的精确位置，实现更安全有效的治疗。

这两篇论文于2024年12月18日在Nature期刊上线，第一篇论文题为：Four-component protein nanocages designed by programmed symmetry breaking，来自David Baker团队，第二篇论文题为：Hierarchical design of pseudosymmetric protein nanocages，来自Neil King团队。

Neil King曾是David Baker实验室博士后，现为 David Baker 教授领导的华盛顿大学蛋白质设计研究所的副教授。

自2012年开始，David Baker团队就开始利用蛋白质设计来构建严格对称的蛋白质纳米笼（protein nanocage），这些蛋白质纳米笼可作为治疗性抗体、疫苗，还可用作药物递送载体。

David Baker教授

天然的和设计的蛋白质纳米笼由一种或多种独特的成分组成，它们以四面体、八面体和二十面体点群对称排列。病毒是建造复杂结构的大师，通过细微破坏对称性，实现更复杂的结构，例如，在二十面体的情况下，病毒可以通过在五边形子结构之间掺入不同数量的六边形，来实现更大的、更复杂的、更高的三角剖分（triangulation，简称T）数构型，从而在不改变曲率的情况下扩展结构。病毒通过将相同亚基的不同构象（准对称）或密切相关但不同的亚基（赝对称）置于对称的非等效位置，实现了这种对称性破缺（symmetry breaking）。

通过这种对称性破缺获得更高T值的二十面体结构，对于病毒的功能至关重要，例如包装和递送大型核酸货物的能力。同样，重新设计更高T值的蛋白质组件可以实现核酸递送的新方法，并且由于纳米颗粒免疫原的效力可以随着展示效价的提高而提高，因此可以开发出更强效的疫苗。

然而，尽管蛋白质设计在设计由相同相互作用的亚基组装而成的对称装配体方面取得了相当大的成功，但在非对称等效位置上设计多个相同或几乎相同的蛋白质链仍然是一个尚未解决的挑战。

在这两项新研究中，研究团队利用Pseudosymmetry（赝对称），设计形状相似但不完全相同的蛋白质组件，进而组装出蛋白质纳米笼。

这些蛋白质纳米笼包含240个、540个甚至960个蛋白质亚基结构，这是迄今为止最大的蛋白质纳米笼。其最大直径可达96纳米，体积比目前最常用的体内基因治疗递送载体——AAV病毒衣壳大90倍。

这些新型蛋白质纳米笼不仅体积更大，而且结构也复杂得多，其包含了四种不同的蛋白质链以及它们之间组成的六种独特的蛋白质-蛋白质界面，所有蛋白质都是从头设计的。

这项研究揭示了大型病毒衣壳结构形成的秘密，并为生物医学应用（例如细胞靶向和基因递送）的类似结构设计铺平了道路。

研究团队还利用了病毒的准对称（Quasisymmetry），也就是相同蛋白亚基在不同环境下采取不同的构象，设计这些形式的转变需要非凡的计算精度，从而产生了具有全新架构的蛋白质纳米笼，这些结构非常独特，在自然界中从未发现过。

此外，David Baker团队进一步探索了设计的蛋白质纳米笼的递送应用，研究团队设计了去唾液酸糖蛋白受体（ASGPR）微型Binder，ASGPR是一种内吞内化受体，仅在肝细胞表面表达。该受体已被用于递送治疗性寡核苷酸（例如siRNA），以及肝脏特异性LYTAC（溶酶体靶向嵌合体）介导的蛋白质降解。研究团队在二十面体蛋白质纳米笼表面展示了60个ASGPR微型Binder，构建了ASGPR笼，并使用抗His tag-Alexa-488抗体标记ASGPR笼，与肝癌细胞系孵育。共聚焦成像显示，ASGPR笼在细胞内大量积聚，这一结果表明，从头设计的大型蛋白质纳米笼可以被细胞内化，用于递送或LYTAC应用。

这两篇Nature论文的侧重点有所不同，David Baker团队设计了最大直径为75纳米、包含240个亚基的蛋白质纳米笼，并进一步验证了其可用于向细胞内递送抗体。而Neil King团队则致力于设计更大尺寸的蛋白质纳米笼——直径达96纳米、包含960个亚基的蛋白质纳米笼。

总的来说，这些超大尺寸的从头设计组装的蛋白质纳米笼代表了蛋白质设计的重大进步。突破对称性的局限，为创造更复杂、更接近生命系统中优雅功能的分子工具打开了大门。这些蛋白质纳米笼可作为疫苗骨架和靶向药物递送载体，有望重塑我们治疗疾病和构建纳米级技术的方式。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07814-1

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08360-6