编辑 | 萝卜皮
如果存在大量自动折叠的氨基酸序列，则可以安排卵白质骨架构造。有人提出，主链的可安排性主要受侧链无关或侧链类型不敏感的分子相互作用控制，这表明一种基于连续采样和优化主链中心能量表面来安排新主链的办法。然而，尚未为此目的建立足够全面和精确的能量函数。
在这里，中国科学技术大学的研讨人员展示了一个名为 SCUBA（Side Chain-Unknown Backbone Arrangement）的统计模型满足了这一目标，该模型运用神经网络形式的能量项。这些术语是通过两步办法学习的，包括核密度估计和神经网络训练，并且可以分析地表示已知卵白质构造中的多维、高阶相关性。
他们还展示了九种重新安排的卵白质的晶体构造，其骨架运用 SCUBA 安排为高精度，其中四种具备新颖的、非人造的整体构造。通过避免运用现有卵白质构造中的片断，SCUBA 启动的构造安排促进了对可安排骨架空间的深远探索，从而扩展了适合重新安排的卵白质的新颖性和多样性。
该研讨以「A backbone-centred energy function of neural networks for protein design」为题，于 2022 年 2 月 9 日发布在《Nature》。
计算卵白质安排已经展现出巨大的潜力，突破性的研讨证明了重新安排具备新构造和功能的卵白质，其中大部分是运用最先进的 RosettaDesign 办法进行的。新的骨架要么通过参数改变现有构造模块（或模板）之间的相对几何形状来安排螺旋束或重复卵白质，要么通过组装现有构造的肽片断来构建。尽管最近有所改进，但这些生成骨架的办法的模板依赖性仍然严重限制了可能的新构造的可用范围，可能会缩小可安排的功能活动的范围。
确定可安排性的假定的以主干为中心的能量表面的明确表示，可以为无模板卵白质安排工作流程提供基础；这将与现有的办法有根本的不同——并且可能会大大补充——现有的办法。建立这种表示的进展缓慢，可能是由于缺乏将相关分子相互作用表示到重新卵白质安排任务所需的全面性和精确度水平的办法。
早期的研讨已经探索了简化的主干能量表面，但只是为了验证类似自然主干的宽最小值的存在，也就是说，不是在尝试主干安排的背景下。一个例外是基于 Cα 原子的统计潜力，它强调了对局部骨架构象的准确建模。该模型成功地产生了一个不运用任何人造片断作为模板安排的循环，表明以主干为中心的办法的可行性。
图示：以主干为中心的能量的明确表示促进了无模板卵白质安排。（来源：论文）
SCUBA 模型旨在表示对骨架可安排性至关重要的因素，包括肽骨架的局部构象偏好、氢键几何形状以及手性连接和紧密堆积的侧链所需的骨架间空间，这样做具备支持重新卵白质安排的全面性和精确性。NC-NN解决了构造统计势的一个主要技术挑战，产生的势除了是连续的，并提供易于计算的函数值以用于构造采样和优化外，还可以表示复杂的高保真真实构造数据的高维和高度相关分布。
该团队将 SCUBA 启动的随机动力学 (SD) 模拟，同数据启动的固定骨架氨基酸序列选择程序 ABACUS2 一起应用，从而安排具备满足各种安排规范的、新颖的、重新开始安排拓扑构造的卵白质。SCUBA 的可安排主干空间，研讨人员报告了九种重新安排卵白质的 X 射线构造，每种卵白质都具备独特安排的序列和构造。
运用 SCUBA 进行无模板卵白质安排
研讨人员分两批对给定拓扑构造安排的卵白质进行了尝试测试。这些架构包括一个 H2E4 草图、几个四螺旋束（H4）草图和一个 EXTD 草图，其中人造卵白质构造域中的一个环被安排的四个螺旋片断取代。
第 1 批中的卵白质是运用主干优化协议安排的，没有循环重采样。44 个测试的 H2E4 或 H4 安排都没有成功结晶。对于八种 EXTD 安排（EXTD-3）中的一种，获得了已解决的晶体构造。
批次 1 中的卵白质所揭示的尝试构造和安排构造之间的这些差异，导致研讨人员在主干优化协议中添加了循环重采样和优化步骤。研讨人员将此修订后的协议应用于 H2E4 和 H4 草图，并通过 Rosetta 偏置前向折叠过滤安排的序列。过滤后保留的38个序列组成了第2批的卵白质。
其中，12个H2E4和4个H4卵白作为单体纯化，并通过X射线晶体构造或核磁共振（NMR）异核单量子相干（HSQC）光谱显示折叠良好。尽管两种 H2E4 卵白的不对称晶体单元含有二聚体，但尺寸排阻色谱证实这些卵白质是溶液中的单体。
图示：重新安排卵白 EXTD-3 整合了预先存在的和新安排的部分，形成了一个尚未在自然界中观察到的单一刚性构造。（来源：论文）
SCUBA 安排的骨架与尝试获得的具备原子精度的构造一致。在 X 射线和安排构造之间观察到的值为 0.96-1.85 Å。此外，安排构造中的 19 个回路中有 16 个与尝试改进的具备亚埃精度的回路一致。值得注意的是，这两种 H2E4 卵白没有相同的环构象，尽管它们的二级构造相似。
安排的 H2E4 和 H4 卵白与具备相似构造的已知人造卵白的序列同一性较低，与构造对齐的人造卵白序列的同一性在 3.5-25% 范围内，远低于人造序列和为人造骨架选择的 ABACUS2 序列之间的平均序列同一性。如两个示例卵白质的温度依赖性圆二色光谱数据所示，所安排的卵白质与具备选择用于人造骨架的 ABACUS 序列的卵白质具备相似的高热稳定性。
图示：成功安排了两层α/β卵白和四螺旋束卵白。（来源：论文）
第 2 批中卵白质的安排成功率约为 42%（38 种尝试测试中的 16 种折叠良好的卵白质）。这些结果支持这样一种观点，即除了最先进的 RosettaDesign 办法之外，SCUBA+ABACUS2 也是一种有效的重新卵白质安排办法。
验证给定架构的安排
尝试检测的第三批卵白质具备新颖的、计算发现的架构。这些全螺旋构造是通过 SCUBA 启动的 SASD 优化最初随机放置的螺旋骨架段，然后截断和排序这些段以及随后将这些段与 SCUBA 优化的环连接生成的。
图示：成功安排的可折叠成新构造的重新卵白质的构造。（来源：论文）
在第 3 批中的 13 种卵白质中，有 3 种以单体形式纯化并被发现折叠良好。将这三种卵白质（分别）融合到甘露糖结合卵白（MBP）上，使卵白质结晶：X 射线构造得到解决。
SCUBA 在安排这些卵白质方面的成功表明， (1) 目前已知的 PDB 中的卵白质构造是有限的，(2) SCUBA 启动的安排不受用于训练模型的人造卵白质构造的限制。
结语
多个属性将该办法与现有的卵白质安排办法区分开来。运用 SCUBA 时，骨架构造会被连续采样和优化，并且具备完全的灵活性。此外，该团队以主干为中心的 SCUBA 模型消除了在主干安排阶段搜索序列空间的需要。总之，这两个属性支持轻松探索自然界中尚未观察到的全新主干架构。
本研讨中产生的新型构造的卵白质清楚地证明了，SCUBA 办法在安排比在自然界中观察到的更广泛的卵白质几何形状方面的效用。在安排功能性卵白质时，可以轻松定制能量功能启动的骨架采样和优化，以促进对构造空间的广泛探索（例如，通过应用增强的采样技术）和对安排构造的精确控制（例如，通过应用功能-相关限制）。这些办法能够显著扩展可用于重新卵白质安排的构造多样性和功能。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04383-5
相关报道：https://www.eurekalert.org/news-releases/943410
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