Cell | 从头设计环肽蛋白药物！上帝之手David Baker团队开发准确设计跨膜大环的方法

近年来，环肽的治疗和研究应用已经取得了显著的进展。基于环肽的新药正在进入市场，例如，美国食品与药品管理局于2017年批准了用于治疗慢性特发性便秘的环肽。大环肽（macrocyclic peptide）已引起制药行业的关注，这是因为它们具有的某些理化性质（如细胞通透性强）可能成为开发新一代药物的基础。

2022年8月29日，来自华盛顿大学的David Baker团队在Cell 杂志在线发表题为“Accurate de novo design of membrane-traversing macrocycles”的研究论文。该研究使用计算设计与实验表征相结合，系统地研究大环膜渗透性和口服生物利用度的设计原则。设计了184个6-12个残基大环，具有广泛的预测结构，包含非规范主链修饰和实验确定的35个结构；29个非常接近计算模型。

通过这种控制，研究表明可以通过确保所有酰胺基团参与内部氢键相互作用来系统地实现膜渗透性。在6-12残留物尺寸范围内的84种设计跨膜，表观渗透率大于1 × 10-6 cm/s。通过在脂质膜中设计受青睐的替代等能全氢键状态，使暴露酰胺基团的具有膜渗透性。总之，该研究开发的精准设计具有高结构准确性的膜渗透性和口服生物可利用肽的能力，将极大的有助于下一代大环疗法的设计。

大环肽作为治疗剂具有相当大的潜力，因其在破坏蛋白质-蛋白质相互作用的能力方面优于小分子，在代谢稳定性和穿过生物膜的能力方面优于蛋白质。具有内在膜渗透性的肽可以进入细胞内药物靶点，通过肠上皮细胞转运，从而实现口服给药，并通过穿过脑微血管内皮细胞穿透血脑屏障。

天然存在的大环化合物，例如环孢菌素 A和灰霉素，表明大环化合物渗透性的潜在机制超出了传统的“五规则”。然而，已被证明利用一些天然可渗透的大环化合物来开发具有不同形状和大小的新的膜渗透肽非常困难。天然可渗透大环有一些共同特征，例如低极性表面积。

水和膜环境中不同结构之间的构象转换也被描述为实现被动膜渗透性的潜在方法。将这些特征整合到基于库的方法中，可以开发出几种新的膜渗透环肽。然而，以前的工作主要局限于较小的肽，通常是5-7个氨基酸。此外，将这些原则扩展到具有广泛化学和结构多样性的新型膜渗透肽的设计仍然具有挑战性，因为它需要了解结构、灵活性和渗透性之间的关系以及同时准确控制大环序列和结构特征的能力。

该研究利用计算设计的能力来指定大环结构，系统地探索被动膜渗透性的决定因素。研究者使用设计-构建-测试方法设计包含不同结构特征的肽，确定它们的晶体和溶液结构来评估它们的渗透性。同时考虑三个结构特征：所有氢键供体通过形成肽内氢键、顺式肽键的存在以及在水和脂质环境之间转换构象的能力。

研究已经证明，精确控制结构的能力使得能够设计出广泛多样的膜渗透大环，大大超出了以前发现的那些，主要是N-甲基化 β 发夹。与天然产品一样，该研究设计通过使用多种局部结构和内部氢键对极性基团进行构象屏蔽来实现这种高渗透性。由此，研究者最终设计、合成和验证了84个具有良好至优异渗透性的结构多样的大环化合物，包括6-8个具有高渗透性且不含 N-甲基的残基大环化合物，9-12 个残基可渗透膜的大环化合物，序列中有一个 N-甲基化氨基酸。

令人惊喜的是，该研究基于能量景观的方法来设计表现出类环孢菌素变色行为的肽，随着溶剂极性的变化，能够在亲脂状态和相对极性的第二种状态之间切换，将能够设计出能够将细胞内治疗靶标与暴露的极性结合的大环化合物组，同时保持膜通透性。

总的来说，该研究提出的设计方法和膜渗透性大环化合物为口服生物可利用的大环药物的开发提供了基础。精确控制结构的能力能够靶向广泛的结合位点几何形状，并且能够稳健地设计膜渗透性应该允许访问细胞内靶标和口服递送，这对未来环肽药物的开发大有帮助。

参考消息：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00922-9

转自：“iNature”微信公众号

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