大家好，本周为大家分享一篇发表在Nature Communications上的文章Anchor extension: a structure-guided approach to design cyclic peptides targeting enzyme active sites，通讯作者是来自华盛顿大学的David Baker教授，他们主要的研究方向是蛋白质相关设计。
多肽被认为是极具前景的治疗药物，有可能靶向那些小分子”无药可及“的蛋白质表面；而环肽因其具有特殊的刚性、稳定性和药代动力学特性更是引起了人们的特别兴趣。目前基于文库的实验筛选方法已经取得了长足的进展，但由于受到合成的限制，实验筛选往往仅限制于天然氨基酸，难以扩展到更大的化学空间。基于结构的环肽结合剂计算设计相比之下更具挑战性，目前的设计方法利用靶蛋白与其结合伙伴的共晶结构，通过稳定或嫁接其相互作用元件来产生结合剂，然而对共晶结构的要求又限制了这些设计方法的应用。
在本文中，作者提出了一种通用的计算方法，用于在已知靶蛋白表面三维结构的情况下，从头设计与靶蛋白表面具有高亲和力结合的环肽。作者选择组蛋白去乙酰化酶(HDACs)家族中的HDAC2作为方法学测试。HDAC2拥有相对极性的表面，且属于一个有11个成员的蛋白超家族，其中许多成员具有很高的同源性。这两个特征体现了结合剂设计面临的两大挑战。作者选择了一种非天然氨基酸(NCAA) 2S-2-氨基-7-磺基庚酸(SHA)作为锚点(Anchor)，灵感来源于天然产物拉格唑拉(Largazole)，其能与HDAC活性中心的锌离子配位，是最有效的HDAC天然抑制剂之一。首先使用分子动力学模拟采样了SHA锚点的不同构象，作为设计的起点。作者先尝试了将已有的结构化环肽支架对接到SHA上，并重新设计界面残基来改善相互作用，发现由于已有的环肽库太小，最佳的设计也不能具有很好的形状互补性。
为了绕过这个问题，作者尝试在蛋白口袋内部从头建立环肽支架，以增加环肽和HDAC2口袋之间的形状互补性。经过几种尝试，最优的设计方法是：首先在SHA上连接一个残基作为额外的锚点，使用基于网格的搜索方法采样了这两个残基的扭转角，生成一个骨架文库。将邻近的残基按照φ角突变为所有经典氨基酸的L和D构型，计算每种突变的形状互补性和△△G，发现最佳打分收敛于少量残基种类和扭转角。选出最好的锚点结构进行延伸，优化其余残基的扭转角和序列以促进相互作用，利用广义运动学闭环算法(Rosetta GenKIC)将链肽闭合，形成环肽。最终发现计算上最好的结合剂具有相似的序列，且由于设计的环肽尺寸相比于HDAC传统的四肽抑制剂更大，能够形成更多有利的相互作用。然而由于对环肽的建模尚有不足，解析结构和设计结构之间尚不能很好地匹配。
总之，作者提出的锚点延伸策略为环肽的从头设计提供了方案，且可以包含20种经典氨基酸及其手性变体，以及若干非天然氨基酸，但还需要采样方法和能量评估上的改进，以及在家族蛋白内引入负设计策略等。
