De novo design of modular peptide

Apr 06, 2023

Nature volume 616, páginas 581–589 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Abordagens gerais para projetar proteínas de ligação de peptídeos específicas de sequência teriam ampla utilidade em proteômica e biologia sintética. No entanto, projetar proteínas de ligação a peptídeos é um desafio, pois a maioria dos peptídeos não possui estruturas definidas isoladamente e as ligações de hidrogênio devem ser feitas aos grupos polares enterrados no esqueleto peptídico1,2,3. Aqui, inspirados por sistemas de proteína-peptídeo naturais e redesenhados4,5,6,7,8,9,10,11, nos propusemos a projetar proteínas feitas de unidades repetidas que ligam peptídeos com sequências repetidas, com um correspondência para um entre as unidades repetidas da proteína e as do peptídeo. Usamos hashing geométrico para identificar esqueletos de proteínas e arranjos de encaixe de peptídeos compatíveis com ligações de hidrogênio bidentadas entre as cadeias laterais da proteína e o esqueleto do peptídeo12. O restante da sequência da proteína é então otimizado para dobramento e ligação do peptídeo. Projetamos proteínas repetidas para se ligar a seis diferentes sequências de repetição de tripéptidos em conformações de poliprolina II. As proteínas são hiperestáveis ​​e se ligam a quatro a seis repetições em tandem de seus alvos tripeptídicos com afinidades nanomolares a picomolares in vitro e em células vivas. As estruturas cristalinas revelam interações repetidas entre as interações de proteínas e peptídeos conforme projetadas, incluindo escadas de ligações de hidrogênio de cadeias laterais de proteínas a estruturas peptídicas. Ao redesenhar as interfaces de ligação de unidades repetidas individuais, a especificidade pode ser alcançada para sequências peptídicas não repetitivas e para regiões desordenadas de proteínas nativas.

Várias famílias de proteínas de ocorrência natural ligam-se a peptídeos com sequências internas repetidas7,9. As proteínas de repetição de tatu, que incluem os receptores de importação nuclear, ligam-se a peptídeos estendidos com sequências ricas em lisina e arginina, de modo que cada unidade de repetição no peptídeo se encaixe em uma unidade de repetição ou módulo na proteína5,8. Estudos anteriores mostraram que a especificidade de unidades de repetição de proteínas individuais pode ser reprojetada, o que permite um reconhecimento mais amplo de sequências peptídicas6,11,13,14. Embora essa abordagem seja poderosa, ela é limitada a peptídeos de ligação em conformações de esqueleto compatíveis com a geometria da repetição do tatu. Proteínas de repetição de tetratricopeptídeo ligam-se a peptídeos com uma variedade de sequências e conformações com menor afinidade (micromolar) (para exceções, ver refs. 15,16,17) e com desvios em cada registro de interação peptídeo-proteína, o que complica a engenharia para mais geral reconhecimento peptídico4,9,10.

Nós nos propusemos a generalizar o reconhecimento de peptídeos por andaimes de proteínas de repetição modulares para geometrias de estrutura de peptídeos de repetição arbitrárias. Isso requer a resolução de dois desafios principais: primeiro, construir estruturas de proteínas com um espaçamento de repetição e orientação correspondente à conformação do peptídeo alvo; e, segundo, garantir a substituição das ligações de hidrogênio peptídeo-água no estado não ligado por ligações de hidrogênio peptídeo-proteína no estado ligado. O primeiro desafio é crucial para o reconhecimento de sequência modular e extensível: se unidades repetidas individuais na proteína devem ligar unidades repetidas individuais no peptídeo na mesma orientação, o faseamento geométrico das unidades repetidas na proteína e no peptídeo deve ser compatível. O segundo desafio é importante para alcançar uma alta afinidade de ligação: em conformações diferentes da hélice α e 310, os grupos NH e C=O fazem pontes de hidrogênio com a água no estado não ligado que precisam ser substituídas por pontes de hidrogênio para o proteína após a ligação para evitar incorrer em uma penalidade substancial de energia livre15.

Para enfrentar o primeiro desafio, raciocinamos que um critério necessário (mas não suficiente) para correspondência geométrica em fase entre unidades repetidas na proteína projetada e unidades repetidas no peptídeo era uma correspondência entre as super-hélices que as duas traçam. Todas as estruturas poliméricas repetitivas traçam super-hélices que podem ser descritas por três parâmetros: a translação (aumento) ao longo do eixo helicoidal por unidade de repetição; a rotação (twist) em torno deste eixo; e a distância (raio) do centróide da unidade repetida do eixo18,19 (Fig. 1a). Geramos grandes conjuntos de backbones de proteínas repetidas que amostraram uma ampla gama de geometrias super-helicoidais (consulte Métodos). Em seguida, geramos conjuntos correspondentes de esqueletos de peptídeos repetidos por amostragem aleatória de conformações di-peptídeos e tri-peptídeos (evitando confrontos estéricos intra-peptídeos) e, em seguida, repetindo-os 4 a 6 vezes para gerar peptídeos de 8 a 18 resíduos. Em seguida, procuramos pares correspondentes de proteínas repetidas e estruturas peptídicas repetidas, exigindo que o aumento estivesse dentro de 0,2 Å, a torção estivesse dentro de 5° e o raio diferisse em pelo menos 4 Å (a diferença no raio é necessária para evitar choque entre peptídeo e proteína; o peptídeo pode envolver fora ou dentro da proteína).