米乐m6中国官方网站 针对肿瘤抑制蛋白 p53 自然退化区域的肽的人工设计

米乐m6官方网站、东北大学多学科材料科学研究所、镰形清人副教授人工智能研究中心的首席研究员龟田聪领导的研究小组立命馆大学药学院药学系的 Ryo Kitahara 教授成功开发了一种针对蛋白质自然变性区域设计药物候选肽的方法。

药物开发涉及设计小分子，这些小分子与疾病相关蛋白质的特定三维结构结合，并抑制或促进这些蛋白质的功能。然而，上述方法不适用于具有自然变性区域且不具有特定三维结构的蛋白质，从而难以快速开发药物。研究小组开发了一种方法，仅利用该自然简并区域的氨基酸序列信息，在计算机中快速设计出与该自然简并区域特异性结合的候选药物肽。利用这种方法，我们从一组8×10到16次方（8亿×1亿）的肽中发现了一种控制肿瘤抑制蛋白p53功能的人工肽，该蛋白具有自然变性的区域。这种人工肽有望成为药物候选分子。基于上述，该方法有可能加速针对蛋白质自然变性区域的药物发现研究。

这项研究成果于2019年6月28日（英国夏令时间）发表在英国科学杂志Scientific Reports（网络版）上。这项研究还得到了科学研究补助金和 AIST-东北大学配套项目的支持。

一般来说，药物与疾病相关蛋白质的特定三维结构结合，并抑制或促进其功能。此外，通过在计算机上将各种化合物与蛋白质的三维结构结合来缩小候选药物的范围，可以高效、合理地开发药物（图1a）。然而，已经清楚的是，含有不具有特定三维结构的区域（自然变性区域）的蛋白质约占所有蛋白质的30%，并且这些自然变性区域与阿尔茨海默病和癌症等疾病有关。不具有特定结构的自然变性区域不断改变其结构，并且不能与只能与特定结构结合的候选药物化合物强烈结合（图1b）。因此，使用上述方法很难开发靶向蛋白质天然变性区域的药物。

图1 寻找候选药物分子。 a) 将各种分子对接到蛋白质的三维结构上，并且将具有匹配形状的分子用作候选药物。 b) 如果蛋白质不具有特定形状（自然变性），则无法使用对接计算对其进行探索。

研究小组专注于灵活结合不具有特定3D结构的自然变性区域的“肽”，以及稳定蛋白质3D结构的“氨基酸对的结合力”，并开发了一种针对自然变性区域的药物发现方法（图2）。在设计肽时，每个残基有20个候选氨基酸，候选肽的数量巨大，因此很难创建并通过实验验证所有候选肽。在该方法中，氨基酸对结合能（兆兆能源）^{注释 2}可用于快速缩小与目标蛋白自然变性区域结合的候选肽的范围（图 2）。 MJ 能量可以被认为是表达氨基酸对形成容易或困难倾向的指标，因此我们认为通过选择使整个肽的 MJ 能量最大化的序列，我们可以设计出牢固结合的肽。

图 2 通过设计的肽对自然变性蛋白质进行功能控制。对于自然简并区域的目标氨基酸序列，根据Miyazawa和Jernigan排列具有高氨基酸对结合能的氨基酸，形成设计的肽（结合肽）。设计的肽与蛋白质的自然变性区域结合，从而控制蛋白质功能。

例如，由于有20种氨基酸，因此有20×20=400种肽，每种肽由2个氨基酸组成。然而，在由13个氨基酸组成的肽的情况下，氨基酸序列的数量为20×20××20=20¹³≒82×10¹⁶=大约 8 2,000 quintillion way（大约 8 亿 x 1 亿路）（图 3a）。在我们的方法中，我们通过选择具有最高MJ能量的氨基酸作为目标氨基酸来进行设计，因此我们可以快速选择候选序列（图3b）。

图3 肽设计方法a) 与自然变性蛋白质的靶序列结合的候选肽的数量。 b) Miyazawa 和 Jernigan 使用氨基酸对结合能（MJ 能量）快速设计结合肽。

为了验证该方法，我们以肿瘤抑制蛋白 p53 的自然变性区域为模型进行了研究。首先，我们决定创建 13 和 16 个残基的候选肽，它们与 p53 的自然变性区域强烈结合。接下来，我们合成了筛选出的候选肽，并进行了滴定实验、核磁共振和分子动力学模拟，发现其中一种候选肽选择性地与p53的天然变性区域结合，并具有很强的结合强度（解离常数~μM）（图4a，b）。此外，滴定实验和单分子荧光测量表明，这种设计的肽抑制p53与DNA的结合并抑制其在DNA上的滑动（图4c）。基于上述，我们证明所开发的方法可用于合理设计能够结合p53自然变性区域并控制其功能的肽。

图4 通过结合肽调节p53 功能。 a) p53的一级结构（氨基酸序列）和三级结构之间的关系。 NT、core、Tet 和 CT 分别代表 N 端结构域、核心结构域、四聚体结构域和 C 端结构域。我们使用 CT 作为靶序列设计了结合肽。 b) p53和结合肽的三维结构。 c) 通过结合肽抑制p53与DNA的结合。 d) 结合肽抑制 p53 在 DNA 上的运动。

这种方法有望加速药物发现研究，因为它可以轻松设计针对蛋白质自然变性区域的药物候选肽，而这些区域通常很难设计。

标题：使用序列信息的合理设计仅产生与 p53 本质上无序区域结合的肽
作者：镰形清人^1*，马野惠里子¹，伊藤雄二^1,2，若本拓郎³，北原亮⁴，上林沙织¹，高桥宏人¹，村田阿加托^1,2和龟田智^5*
隶属关系：¹东北大学多学科材料科学研究所²东北大学理学研究生院化学系³立命馆大学生命科学研究生院⁴立命馆大学药学院药学系⁵产业技术综合研究所人工智能研究中心
杂志：科学报告
网址：wwwnaturecom/articles/s41598-019-44688-0
DOI：101038/s41598-019-44688-0

注1) 肽

氨基酸相连的聚合物链。[返回来源]

注 2) Miyazawa-Jernigan (MJ) 能量：

它收集大量三维结构已知的蛋白质，统计彼此接近的氨基酸对的数量，并将频率表示为能量。 3D结构组中氨基酸对的数量越多，该氨基酸对的能量值就越大。换句话说，MJ能量可以说是表示形成氨基酸对的容易或困难的倾向的指标。[返回来源]