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蛋白质的可逆多聚化是生命活动的核心调控机制之一，参与信号传导、基因表达、病毒入侵等诸多关键过程。通过小分子调控蛋白质多聚化，能够实现对生物过程的时空精准操控，这类化学生物学工具在基础研究和细胞治疗中具有广泛应用。然而，天然存在的小分子调控蛋白质寡聚体系统极为稀少，如果能够从头设计一种可被小分子药物调控的蛋白质多聚化系统，使科学家能像使用“遥控器”一样，按需控制蛋白质的“组装”与“解聚”，将是一项极具挑战性的技术突破。
2026年新年伊始，西湖大学/西湖实验室曹龙兴团队及合作者在 Science主刊上发表了题为“De novo design of small molecule regulated protein oligomers”的最新研究论文。该成果实现了“给蛋白质装遥控器”，从头设计出一种蛋白质，听到小分子药物的“指令”，就可以精准拼成一组的多聚体。
研究团队创新性地提出了“对接-结合同步优化”（docking-while-binding）设计策略，核心在于利用蛋白质复合物与小分子配体的对称性匹配原则。由于对称约束可缩小构象搜索空间、复用配体结合界面并便于改造为非对称系统，团队选择了具有C3对称性的金刚烷胺作为调控小分子——该药物临床应用多年，药代动力学特征明确且安全性良好。设计流程中，首先通过RifGen方法生成对称旋转异构体相互作用场（RIF）评估蛋白质-金刚烷胺相互作用，随后构建55-65个氨基酸组成的三螺旋束支架，利用蒙特卡洛采样在对称约束下组装同源三聚体，同时通过RPX哈希方法优化蛋白质间相互作用。经过Rosetta和ProteinMPNN的序列设计及严格筛选，保障设计蛋白在无金刚烷胺时保持单体稳定，结合配体后形成寡聚体。该策略的关键优势在于配体结合口袋由蛋白质对接过程动态生成，可灵活整合多个配体结合位点，显著提升调控效率。
实验验证方面，团队首先成功设计了结合单金刚烷胺的同源三聚体（mAITs）和双金刚烷胺的同源三聚体（dAITs）。其中，dAIT17经K26I突变优化得到的dAIT17s表现出优异的金刚烷胺响应性，SEC-MALS实验证实其在配体存在下可高效形成三聚体，1.5 Å分辨率晶体结构显示其与设计模型的Cα RMSD仅为0.67 Å。基于该同源三聚体系统，团队进一步开发了异源二聚体（AMA10）和异源三聚体系统：通过RFdiffusion生成连接螺旋改造同源三聚体亚基，结合ProteinMPNN的正负设计策略，消除了亚基自聚倾向。经定向进化得到的AMA10系统蛋白间结合亲和力达23.4 nM，较初始设计提升近90倍。功能验证显示，该系统可有效调控哺乳动物细胞中蛋白质的核质转运和膜定位，构建的单组分基因开关实现了金刚烷胺剂量依赖性的基因转录激活，且在小鼠体内经口服给药即可触发肝脏中的转基因表达。此外，利用该系统设计的蛋白质凝聚体可在1分钟内响应金刚烷胺诱导，展现出快速可逆的相分离调控能力。
该研究通过计算设计与实验验证的深度结合，首次实现了小分子调控的蛋白质同源三聚体、异源二聚体及异源三聚体的从头设计，其创新点在于突破了传统设计方法对天然蛋白质骨架的依赖，通过对称性匹配策略实现了蛋白质-配体与蛋白质-蛋白质相互作用的精准平衡。设计的蛋白质组件仅含65个氨基酸，且采用临床批准药物作为调控分子，为其临床转化应用奠定了基础。未来，该设计策略可扩展至非对称蛋白质界面和小分子配体，进一步优化配体结合亲和力和组织特异性，有望在细胞治疗的安全开关设计、复杂信号通路重构和精准医疗等领域发挥重要作用。
在本研究中，Implen Nanophotometer® N50超微量分光光度计用于纯化的三聚体蛋白质(mAIT03, dAIT17 and dAIT17s)样本的A280浓度测量，在调整适宜的浓度之后，用于通过多角度激光光散射进行分子量计算。N50系列作为Implen基础型仪器，在蛋白质定量方面，具有和高端型号相媲美的性能，可以快速、可靠地获得结果。采用样品压缩法的N50最低仅需0.3μl上样量，可大幅降低珍贵样本的消耗。新的科学发现和技术创新，总有Implen的身影，Nanophotometer®是科学家的科研好伙伴。
