Nature：科學家從頭設計全新抗癌蛋白，有效抗癌同時避免副作用

在 1 月 10 日 Nature 雜誌發表的一項重磅成果中，來自華盛頓大學（UW）西雅圖蛋白質設計研究所（IPD）的研究人員，利用電腦程式創造了一種新的蛋白質，能夠模仿 IL-2（白細胞介素 2）的抗癌作用，同時避免發生毒副反應。

研究人員表示，這項成就開闢了基於設計蛋白質的治療癌症、自身免疫性疾病和其他疾病的新方法。

（來源：Nature）

科學家這次從頭設計的新蛋白質 Neo-2/15，在動物實驗中顯示，其具有與天然存在的 IL-2 相同的刺激抗癌 T 細胞的能力，且沒有引發有害的副作用。

研究論文的第一作者，IPD 生物化學家 Daniel-Adriano Silva 表示：「Neo-2/15 很小很穩定。因為我們從零開始設計它，我們了解它的所有部分，我們可以繼續改進它，使它更加穩定和活躍。」

改變 IL-2，30年的嘗試

IL-2 是一種關鍵的免疫調節蛋白，是治療自身免疫性基本的有效方法，也是一種有效的抗癌藥物，能夠刺激 T 細胞的抗癌能力。

IL-2 已被用作癌症患者沒有其它治療選擇時最後的治療方法。對於一些患有晚期黑色素瘤或腎細胞癌的患者，IL-2 可以達到高達 7％的治癒率。

然而，IL-2 嚴重的毒副作用一直以來限制了其巨大的臨床應用價值。目前 IL-2 藥物只能在專業醫療中心的重症監護室中使用，並且只能給予最「健康」的患者。

「30 年來，人們已經多次嘗試改變 IL-2 蛋白以使其更安全和更有效，但由於天然存在的蛋白質往往不是很穩定，因此也已被證明是非常難以做到的。」Daniel-Adriano Silva 說道。

IL-2 通過與細胞表面上的受體結合而作用於兩種免疫細胞。IL-2 對細胞行為的影響在很大程度上取決於這些受體相互作用的數量和性質。天然 IL-2 可以激活具有負責抗腫瘤活性的 β 和 γ 受體的細胞，這正是患者想要的。

然而，天然 IL-2 往往優先結合另一種除 β 受體和 γ 受體外還具有 α 受體的免疫細胞。這些細胞會引起嚴重毒副作用和免疫抑製等災難性副作用。迄今為止，所有批準的 IL-2 療法都不幸地引起這些具有 α 受體細胞的優先活化。

為了設計一種模仿 IL-2 但又不會引起副作用的抗癌蛋白，研究人員使用了 Baker 實驗室開發的名為 Rosetta 的電腦程式，嘗試從頭開始設計模仿 IL-2 的新蛋白質。

使用 Rosetta，研究人員設計他們想要的蛋白質具有結合併激活具有 β 和 γ 受體的免疫細胞，但不是具有α受體的免疫細胞。

圖 | 紅色的新蛋白質僅與β和γ受體結合，而不與具有第三種受體的細胞結合（來源：IPD）

首先，研究人員設計了緊湊型蛋白質作為支架，用於將兩個結合位點保持在適當的位置。然後他們優化了最佳支架的氨基酸序列。這種努力導致最終的緊密蛋白質與天然 IL-2 完全不同。

「Neo-2/15 具有至少與天然存在的 IL-2 一樣好或更好的治療特性，但電腦設計的毒性要小得多。」研究論文的主要作者，IPD 生物化學家 Umut Ulge 說。

在實驗室和動物模型中，研究人員發現，新蛋白質能夠緊密結合 IL-2 受體β和γ，激活抗癌免疫細胞，並減緩腫瘤生長。由於設計的蛋白質沒有α受體的結合位點，因此有效劑量的 Neo-2/15 不會引起毒副作用。

這種新蛋白質之所以被稱為 Neo-2/15，是因為除了模仿 IL-2 的作用外，該蛋白質還可以模仿另一種白細胞介素 IL-15 的作用，IL-15 也是一種正在進行研究的抗癌免疫療法。

論文通訊作者，David Baker 博士表示，該研究結果顯示從頭開始設計蛋白質可以使結構已知或可預測的幾乎任何生物分子，具有增強的治療特性和較小的副作用。

被認為「必拿諾獎」的David Baker

David Baker 是華盛頓大學生物化學教授和霍華德休斯醫學研究所的研究員，IPD 所長和首席研究員。作為大名鼎鼎的蛋白質設計大師，David Baker 近幾年一直被認為是諾獎熱門人選。

圖 | David Baker（來源：Brian Dalbalcon/UW Medicine）

眾所周知，蛋白質是一切生命系統的物質基礎，密切參與著從觸發免疫反應到大腦思考的每一個生理過程。如果把基因比作構成生命的配方，那麼蛋白質就是構成生命的材料。沒有蛋白質，也就沒有生命。

而所謂蛋白質設計，就是依賴於蛋白質結構的測定和分子模型的簡歷，按照蛋白質結構功能的關係，綜合運用各學科的技術手段，獲得比天然蛋白質性能更優越的新型蛋白質。

而真正決定不同蛋白質性質和功能的，除了不同氨基酸的排列組合，更重要的是氨基酸鏈的 3D 結構。氨基酸鏈扭轉、彎曲構成不同的蛋白質，因此，具有數百個氨基酸的蛋白質可能呈現出數量驚人的不同結構，10 的 100 次方個。

與蛋白質設計中的「小改」和「中改」不同，完全從頭設計全新的蛋白質，是對蛋白質分子的「大改」，還要使之具有特定的空間結構和預期功能，因此也被視為難以實現的世界性難題。

科學家們對於蛋白質的研究已經進行了近兩個世紀，並且科學家們已經知道細胞是如何通過簡單的模塊構建來翻譯和創造蛋白質。但長期以來，科學家們並沒有實現將設計和創造出自然界中沒有的新蛋白質。

我們知道，蛋白質 3D 結構結構的摺疊，受到大量非共價相互作用（如氫鍵，離子鍵，范德華力和疏水作用）的影響，想要從分子水準上了解蛋白質的作用機制，就需要精確測出蛋白質的 3D 結構。

1998 年，David Baker 團隊開發了一種用於蛋白質結構預測的 Rosetta 演算法平台，利用這個平台構建虛擬的氨基酸鏈，然後計算出它們最容易摺疊的形式。

為了獲得更加強大的計算能力，2005 年他們創建了一個名為 Rosetta@home 的眾包性外延項目，該項目可以讓人們將閑置的電腦用於需要進行的計算，從而研究所有潛在的蛋白摺疊。

在超過 100 多萬名眾包用戶的幫助下，David Baker 團隊已經找到了如何選擇創建一種能夠呈現他們想要形狀的蛋白質所需的構建模塊。

圖 | 被 David Baker 稱為「死星」的人造蛋白（來源：IPD）

在 2017 年發表的一系列論文中，David Baker 博士及其同事公布了他們所做的研究成果。他們設計出數千種不同的蛋白質，呈現出科學家們預測的形狀，而且這些蛋白質與自然界中發現的蛋白質有很大不同。

這種技術的發展帶來了深刻的科學進步——蛋白質可以由人而不是自然界設計。「我們現在可以從頭開始創造蛋白質，從而實現我們想要的。」David Baker 博士曾說道。

加州大學舊金山分校的分子生物學家 William DeGrado 曾將 David Baker 博士及其同事的研究評價為代表了這一系列科學研究的里程碑。

在徹底改變了對蛋白質的研究之後，David Bake 團隊現在正在從頭開始對它們進行工程改造。David Bake 認為科學家們很快就能夠為各種任務構建精確的分子工具，而他的團隊也已經創建了用於各種用途，包括抗擊流感病毒、分解食物中麩質，以及檢測極少量阿片類藥物的蛋白質。

David Bake 團隊現在也在設計人工病毒。像天然病毒一樣，這些蛋白外殼可以將遺傳物質注入細胞。不過注入的 DNA 不會讓你感染，而是會修補危險的遺傳突變。此外，David Bake 團隊還在進行治療從瘧疾到老年癡呆症各種疾病的研究。

對於 David Bake 來說，蛋白質從頭設計代表了他 25 年研究生涯的巔峰。Rosetta 的最新進展使他能夠從期望的功能反向工作到合適的結構，再到合適的氨基酸序列。他可以使用任何氨基酸，甚至不僅僅是自然界天然存在的 20 種選擇。

正如 Discover 雜誌作者 Jonathon Keats 的評價，當 David Bake 押注設計新蛋白以擊敗流感時，其他人則押注 David Bake。