蛋白质工程的进步

工程师蛋白质的能力是一个基本组成部分的几个行业的研发过程——从生产酶设计下一代的疗法。蛋白质工程的概念引入新特性或优化函数不是小说,而是一个复杂的新工具包是迅速崛起。在本文中,我们看两个最热的地区治疗应用蛋白质工程以及机器学习和人工智能(AI)将变换。

抗体工程

蛋白质占面积广阔的治疗空间——从目标酶激酶、磷酸酶、蛋白酶,通过设计版本的自然发生的人类蛋白质用作抗凝剂治疗,激素和生长因子。但也许最令人兴奋的和最快的移动集团的蛋白质药物的抗体。的抗体治疗领域已迅速从早期的单克隆抗体领域,包含了许多不同的设计衍生品。今天,抗体被改造成一个不同的药物类,小说从抗体药物配合,在抗体药物有效载荷传递到目标站点,同时多价结合不同抗原的抗体。

Zhiquiang博士是德州疗法研究所主任在休斯顿德克萨斯大学健康科学中心,专门从事工程抗体治疗适应症的范围。COVID-19大流行期间,他的实验室快速动员产生中和IgM抗体鼻喷雾剂对SARS-CoV-2提供强有力的和广泛的保护。¹这是通过工程父母IgG抗体对病毒,2结合位点,一个IgM版本10结合位点,使其强230倍。现在,以及致力于下一代抗体COVID-19和未来的大流行,他的团队正在工程抗体的最前沿其他神经退行性疾病和癌症等。

“我们的一个重点领域是工程师的抗体可以穿过血脑屏障,这样他们就可以达到一个中枢神经系统目标,如脑瘤或阿尔茨海默病(AD),”一个说。“我们的其他重点是增加抗体的价,这样我们就可以实现更大的力量。”

在最近的一项研究中,一个团队的结合这两种方法设计一种基于抗体的药物广告。²他们改造的抗体,目标TREM2(对骨髓细胞触发受体2),一个受体,指导小胶质细胞吞噬淀粉样斑块。通过工程二价IgG1抗体tetra-variable域抗体他们提高了效力。接下来,他们设计了一个双特异性抗体针对TREM2和转铁蛋白受体来改善大脑条目。

“转铁蛋白受体负责穿梭三价铁从流通到大脑,非常有效,”一个解释。“当抗体与转铁蛋白受体结合时,受体可以翻转跨血脑屏障的抗体。“转铁蛋白运输概念并不新鲜,但当一个结合这一技术与团队的TREM2抗体,抗体的效价提高了100倍,它能够达到目标大脑的10倍。现在双特异性抗体在临床前开发。

的实验室也感兴趣的设计nanobodies -抗体重链和轻链。差的”,因为抗体是大分子组织渗透,我们看潜力工程师nanobodies来自骆驼和一些其他的动物有一个较小的结合位点,”一个说。“这些都是有趣的对于目标复杂的膜蛋白,如GPCRs和转运蛋白——挑战和更大的分子药物。”

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工程转录后修饰

蛋白质工程是操纵的另一个热门话题转录后修饰。“传统上,蛋白质工程都集中在定点诱变的蛋白质的氨基酸序列,”说教授马修DeLisa工程和威廉·l·刘易斯教授康奈尔大学生物技术研究所的主任”,但几乎所有的蛋白质都是你修改以某种方式或形式,这已成为蛋白质设计和工程的一个重要组成部分。”

最丰富的糖基化修饰,增加多糖组蛋白骨干。多糖是一种复杂的碳水化合物组成的一个或多个单糖,共价组装成独特的结构。聚糖扮演重要角色的折叠、稳定性、交互和生物活性的蛋白质,使工程师能力glycan-mediated属性非常可取的。

主要有两种方法聚糖工程:引入一种新的多糖或改变现有的一个。“在第一个场景中,你实际上改变蛋白质的序列通过引入新的氨基酸主题提供一个信号到特定的糖基化酶添加多糖组在这些特定的主题,“DeLisa说。“在第二种方法你重建一个天然多糖结构工程生产多糖的生物合成的途径。”

再一次,这些方法的主要应用之一,现在在发展中抗体。这是因为Fc域的糖基化的抗体与下游效应器的能力是至关重要的。

第一抗体与工程生产多糖是obinutuzumab (Gazyvaro),这是批准用于治疗慢性淋巴细胞白血病和滤泡淋巴瘤。这个抗体是由工程多糖生物合成途径:产生抗体的细胞工程中的两个糖基化酶过表达,MGAT3和高尔基甘露糖苷酶。这些中酶减少岩藻糖连接到抗体,增加其激活自然杀伤细胞的能力。³

“通过操纵或改变糖基化发生在Fc域可以对抗体结构和功能产生深远的影响,”DeLisa说。“这等定制属性允许您创建抗体高度赞成或抗炎。”

AI-driven蛋白质工程

虽然技术生产抗体等蛋白质疗法改善,它仍然需要耗时的实验工作流程。但AI可能很快就会加速这个过程,一个说:“基于AI规划AlphaFold已经被用于设计更具体和有效的抗体。在未来,这些将使我们能够设计抗体与基于抗原结构,效果更佳。”

这个方法已经改变了蛋白质工程已经完成,根据DeLisa:“我们现在可以很容易地获得相当不错的蛋白质三维结构预测从一台电脑,没有x射线晶体学。这样的预测可以用来合理引导工程活动,寻求改善蛋白质的特定属性,例如如何严格目标抗原抗体结合。这种方法的某些子类会特别有价值的蛋白质和膜蛋白一样,很少有晶体结构的存在。”

计算工具也开始从头开始创建蛋白质疗法使用。”这种方法可以用来创建设计师酶或抗体,目前不存在巨大的集合中大自然的酶,“DeLisa说,“这意味着你能想出全新解决方案绑定致病性目标或达到一个酶活性,而不受制于自然如何解决这些问题。”

一旦设计抗体或蛋白质,它可以在实验室合成和测试所需的属性。尽管并不是每一个设计作品,该工具变得更好在设计通过学习从它的成功和失败,通过一个迭代的过程。

“这些工具将在未来十年中发挥巨大的作用,在他们的能力来帮助我们设计更好的蛋白质药物,或从头开始全新的,“DeLisa说。“但我不认为这是限于疗法,这些工具会将许多领域——从强有力的酶催化剂,使生产清洁能源和biobased材料可持续来源蛋白质,帮助满足全球的粮食需求。”

引用

1。Ku Z,谢X,辛顿公关,et al .鼻交付一个IgM SARS-CoV-2变异提供了广泛的保护。自然。2021,595 (7869):718 - 723。doi:10.1038 / s41586 - 021 - 03673 - 2

2。 江赵P,徐Y, L, et al。一个四价TREM2争胜抗体减少淀粉样病变在阿尔茨海默病小鼠模型。Sci Transl地中海。2022;14 (661):eabq0095。doi:10.1126 / scitranslmed.abq0095

3所示。Umana P, Jean-Mairet J, Moudry R,贝利Amstutz H,我。与优化设计改变的antineuroblastoma IgG1锁定细胞毒性的活动。生物科技Nat》。1999年,17 (2):176 - 180。doi:10.1038/6179