四组分蛋白质纳米笼的设计：通过程序化对称性破缺实现

学术背景

蛋白质纳米笼（protein nanocages）是一类具有高度对称性的蛋白质组装体，广泛应用于疫苗开发、药物递送和纳米材料设计等领域。自然界中的病毒通常通过对称性破缺（symmetry breaking）来构建复杂的结构，尤其是高三角数（higher triangulation number, T）的二十面体（icosahedral）结构。然而，自然界中尚未发现通过对称性破缺构建的四面体（tetrahedral）或八面体（octahedral）高T数结构。为了探索这一领域，研究人员提出了一种通用的设计策略，通过伪对称化（pseudosymmetrization）三聚体构建块，构建高T数的四面体、八面体和二十面体纳米笼。

论文来源

该论文由Sangmin Lee、Ryan D. Kibler、Green Ahn、Yang Hsia、Andrew J. Borst、Annika Philomin、Madison A. Kennedy、Buwei Huang、Barry Stoddard和David Baker共同撰写，发表于《Nature》期刊。作者来自华盛顿大学生物化学系、蛋白质设计研究所、霍华德·休斯医学研究所、浦项科技大学（POSTECH）和弗雷德·哈钦森癌症研究中心。论文于2024年7月11日在线发表。

研究流程

1. 设计策略

研究人员提出了一种分层次的设计策略，通过伪对称化三聚体构建块，构建高T数的四面体、八面体和二十面体纳米笼。具体步骤如下： 1. 设计T=1笼：首先，设计具有C3对称性的同源三聚体（homotrimers），并将其沿四面体、八面体和二十面体的对称轴排列，形成T=1的纳米笼。 2. 提取环状子结构：通过将同源三聚体替换为伪对称的异源三聚体（heterotrimers），提取环状子结构（crowns）。这些异源三聚体由三个不同的链组成，缺少一个三聚体-三聚体界面，从而将子结构从笼中分离出来。 3. 构建T=4笼：将提取的环状子结构与新的同源三聚体结合，沿四面体、八面体和二十面体的对称轴排列，形成T=4的纳米笼。

2. 伪对称异源三聚体的设计

研究人员采用界面移植（interface transplantation）方法，将不同同源三聚体的界面移植到宿主三聚体上，构建伪对称的异源三聚体。通过实验验证，这些异源三聚体能够形成预期的结构，并且具有不同的臂长，便于后续的组装。

3. 纳米笼的设计与验证

研究人员设计了T=1的四面体、八面体和二十面体纳米笼，并通过实验验证了其结构。随后，提取环状子结构，并将其与新的同源三聚体结合，构建T=4的纳米笼。通过负染色电子显微镜（NSEM）和冷冻电镜（cryo-EM）验证了这些纳米笼的结构。

主要结果

1. T=4纳米笼的结构：研究人员成功构建了T=4的四面体、八面体和二十面体纳米笼，分别由48、96和240个亚基组成，直径分别为33 nm、43 nm和75 nm。这些纳米笼具有四个不同的链和六个不同的蛋白质-蛋白质界面。
2. 伪对称异源三聚体的验证：通过实验验证，伪对称的异源三聚体能够形成预期的结构，并且具有不同的臂长，便于后续的组装。
3. 纳米笼的热稳定性和pH耐受性：实验表明，T=4的八面体和二十面体纳米笼在70°C以下保持稳定，并且在pH 5.3以上保持结构完整，表明其具有作为递送载体的潜力。
4. 纳米笼的细胞内化：研究人员将二十面体纳米笼的一个链与去唾液酸糖蛋白受体（ASGPR）结合蛋白融合，成功实现了纳米笼在肝细胞中的内化。

结论

该研究提出了一种通用的设计策略，通过伪对称化三聚体构建块，构建高T数的四面体、八面体和二十面体纳米笼。这些纳米笼具有复杂的结构和多个功能化位点，为疫苗开发和药物递送提供了新的平台。特别是，T=4的二十面体纳米笼具有较大的内部体积，可以用于包装核酸和其他大分子。

研究亮点

1. 创新性设计策略：该研究首次提出了通过伪对称化三聚体构建块，构建高T数的四面体、八面体和二十面体纳米笼的设计策略。
2. 复杂的纳米笼结构：成功构建了具有四个不同链和六个不同界面的T=4纳米笼，展示了其在疫苗开发和药物递送中的潜力。
3. 实验验证：通过NSEM和cryo-EM验证了纳米笼的结构，并通过实验验证了其热稳定性和pH耐受性。
4. 细胞内化实验：成功实现了纳米笼在肝细胞中的内化，展示了其作为递送载体的潜力。

研究意义

该研究为蛋白质纳米笼的设计提供了新的思路，展示了通过伪对称化构建复杂纳米结构的可行性。这些纳米笼在疫苗开发、药物递送和纳米材料设计等领域具有广泛的应用前景。特别是，T=4的二十面体纳米笼具有较大的内部体积，可以用于包装核酸和其他大分子，为基因治疗和疫苗开发提供了新的工具。