近日，上海科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院許文青課題組和合作者在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》(PNAS) 發(fā)表了題為“De novo design of protein binders to stabilize monomeric TDP-43 and inhibit its pathological aggregation”的研究論文，首次通過(guò)人工智能驅(qū)動(dòng)的從頭蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出可高親和力特異性結(jié)合TDP-43 LCD聚集核心的新型結(jié)合劑，在體外和細(xì)胞模型中均實(shí)現(xiàn)了對(duì)TDP-43病理性聚集的高效抑制，為神經(jīng)退行性疾病的靶向治療提供了全新策略。

神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生發(fā)展與蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊及病理性聚集密切相關(guān)，其中TDP-43（43 kDa反式激活反應(yīng)DNA結(jié)合蛋白）的異常聚集是肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）、額顳葉變性（FTLD）等疾病的核心病理特征——約97%的ALS患者和50%的FTLD患者腦組織中可檢測(cè)到TDP-43的核內(nèi)耗竭及胞質(zhì)纖維化聚集物。這些聚集物不僅破壞RNA代謝穩(wěn)態(tài)，更直接介導(dǎo)神經(jīng)元毒性與疾病進(jìn)展。由于TDP-43低復(fù)雜度結(jié)構(gòu)域（LCD）屬于內(nèi)在無(wú)序區(qū)域（IDR），構(gòu)象可變性極強(qiáng)，因此其聚集核心區(qū)域的靶向干預(yù)長(zhǎng)期面臨技術(shù)瓶頸，目前尚無(wú)有效小分子或生物大分子療法獲批。

TDP-43的生理功能依賴(lài)其結(jié)構(gòu)化的N端結(jié)構(gòu)域（NTD）和RNA識(shí)別基序（RRM1/2），而C端LCD是病理性聚集的主要驅(qū)動(dòng)因子。LCD中，319-335殘基在生理狀態(tài)下呈α螺旋構(gòu)象，而疾病狀態(tài)下會(huì)發(fā)生“α螺旋→β折疊”的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，進(jìn)而組裝成多形態(tài)纖維聚集體。本研究以“穩(wěn)定TDP-43 CR區(qū)域α螺旋構(gòu)象”為核心目標(biāo)，搭建了從計(jì)算設(shè)計(jì)到功能驗(yàn)證的完整研究流程。借助擴(kuò)散模型生成候選支架，經(jīng)深度學(xué)習(xí)工具優(yōu)化序列以增強(qiáng)與CR區(qū)域關(guān)鍵位點(diǎn)的相互作用，再通過(guò)能量篩選與結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，最終確定高潛力結(jié)合劑候選（圖一）。

圖一 本文工作流程圖

在體外驗(yàn)證階段，通過(guò)特異性檢測(cè)β折疊聚集體的Tht實(shí)驗(yàn)與電鏡觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)部分結(jié)合劑能有效抑制TDP-43聚集。通過(guò)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)該高效結(jié)合劑以特定結(jié)構(gòu)與TDP-43 CR螺旋形成緊密疏水相互作用，后續(xù)核磁共振實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)其可特異性結(jié)合CR螺旋區(qū)域。最后在細(xì)胞層面，通過(guò)兩種經(jīng)典細(xì)胞模型驗(yàn)證了該結(jié)合劑能顯著降低核內(nèi)與胞質(zhì)中TDP-43的聚集比例，并減少疾病相關(guān)標(biāo)志物的水平（圖二）。

圖二 從頭設(shè)計(jì)的結(jié)合蛋白對(duì)TDP-43纖維化聚集的抑制效果

本研究首次驗(yàn)證了通過(guò)穩(wěn)定TDP-43內(nèi)在無(wú)序區(qū)特定基序的α-螺旋構(gòu)象來(lái)抑制其病理性聚集的可行性，為精準(zhǔn)靶向神經(jīng)退行性疾病的核心致病因子提供了新的思路。該策略還可能推廣至其他神經(jīng)退行性疾病中涉及淀粉樣聚集的內(nèi)在無(wú)序蛋白，例如阿爾茨海默病和帕金森病相關(guān)的致病蛋白。

上?？萍即髮W(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士畢業(yè)生孫剛羽和上海交通大學(xué)博士生李想為本文共同第一作者。上?？萍即髮W(xué)生命與技術(shù)學(xué)院許文青教授、王之礩副研究員，上海交通大學(xué)李丹教授，中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所劉聰研究員為本文共同通訊作者。上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位和通訊單位。

論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2505320122