能够形成具有模块化氢键网络介导特异性的同型寡聚体的多肽及其设计制造技术

提供了用于识别和筛选氢键网络的方法和装置。计算设备可以确定与一个或多个分子相关的氢键网络的检索空间，其中检索空间可以包括与涉及氢键网络的多个残基相关的多个能量项。计算设备可以检索该检索空间以基于多个能量项识别一个或多个氢键网络。计算设备可以基于所识别的氢键网络的分数来筛选所识别的氢键网络以识别一个或多个筛选的氢键网络。可以生成与一个或多个筛选的氢键网络相关的输出。还提供了可以形成具有模块化氢键网络介导的特异性的同型寡聚体的多肽。

Polypeptides capable of forming modular hydrogen bond networks mediating specific homo-oligomers and their design

Methods and devices for identifying and screening hydrogen bond networks are provided. The computing device can determine the search space of a hydrogen bond network associated with one or more molecules, where the search space may include multiple energy items related to multiple residues involving the hydrogen bond network. The computing device can retrieve the retrieval space to identify one or more hydrogen bond networks based on multiple energy items. The calculating device can screen the identified hydrogen bond network based on the fraction of the identified hydrogen bond network to identify one or more selected hydrogen bond networks. The output associated with one or more screened hydrogen bond networks can be generated. Peptides that can form specific homo-oligomers mediated by modular hydrogen bond networks are also provided.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】能够形成具有模块化氢键网络介导特异性的同型寡聚体的多肽及其设计相关申请本申请要求2016年4月1日提交的美国临时专利申请序列号62/317,190的优先权，其整体通过引用并入本文。
技术介绍
氢键在生物分子的结构、功能和相互作用特异性中起关键作用。从头设计氢键相互作用面临两个主要挑战：首先，氢键原子在几何学上被限制在狭窄的方向和距离范围内；其次，几乎所有极性原子必须与其他大分子极性原子或与溶剂一起参与氢键，否则在折叠或结合时去水会产生相当大的能量损耗。DNA双螺旋巧妙地解决了这两个挑战；成对的碱基一起聚集在使得所有被埋藏的极性原子形成在两个碱基之间自含的氢键并具有接近理想的几何形状。在蛋白质中，所遭遇到的这些挑战更复杂，因为骨架几何形状是高度可变的，并且极性氨基酸对通常不能相互作用以完全满足它们的相互氢键结合能力。因此，侧链氢键通常涉及具有可变几何形状和组成的多个氨基酸的网络，并且在单个蛋白质或界面内的不同位点处通常存在非常不同的网络，用于结合和催化预组织极性残基。
技术实现思路
在自然界中，DNA和蛋白质中的结构特异性编码方式完全不同：在DNA中，特异性来自双螺旋核心中的模块化氢键，而在蛋白质中，特异性主要来自埋藏的疏水性包装(hydrophobicpacking)，其由不规则的外周极性相互作用补充。本文描述了设计特异性由中央氢键网络的模块阵列确定的多种蛋白质同型寡聚体的一般方法。该方法可用于设计包括两个同心螺旋环的二聚体、三聚体和四聚体，包括先前未见过的三角形、正方形和超螺旋形拓扑。X射线晶体学证实了总体结构，特别是氢键网络，几乎与设计模型相同，并且该网络赋予体内相互作用的特异性。设计具有原子精度的广泛的氢键网络的能力是蛋白质设计的里程碑，并且能够为广泛的合成生物学应用编程(programming)蛋白质相互作用特异性。本文还描述了一类具有规则的氢键网络阵列的蛋白质寡聚体，其能够编程相互作用特异性。在一个方面，提供了一种方法。计算设备确定与一个或多个分子相关的氢键网络的检索空间。检索空间包括与多个与氢键网络相关的残基相关的多个能量项。计算设备基于多个能量项检索该检索空间以识别一个或多个氢键网络。基于对一个或多个识别的氢键网络的分数，计算装置筛选所识别的一个或多个氢键网络以识别一个或多个筛选的氢键网络。计算设备生成与一个或多个筛选的氢键网络相关的输出。在另一方面，提供了一种计算设备。计算设备包括一个或多个数据处理器和计算机可读介质。该计算机可读介质被配置为至少存储计算机可读指令，其在被执行时使计算设备执行功能。这些功能包括：确定与一个或多个分子相关的氢键网络的检索空间，其中该检索空间包括与多个与氢键网络相关的残基相关的多个能量项；检索该检索空间，以基于多个能量项识别一个或多个氢键网络；筛选识别的一个或多个氢键网络，以基于一个或多个识别的氢键网络的得分识别一个或多个筛选的氢键网络；并产生与一个或多个筛选的氢键网络相关的输出。在另一方面，提供了一种计算机可读介质。该计算机可读介质被配置为至少存储计算机可读指令，在由计算设备的一个或多个处理器执行时使计算设备执行功能。这些功能包括：确定与一个或多个分子相关的氢键网络的检索空间，其中该检索空间包括与多个与氢键网络相关的残基相关的多个能量项；检索该检索空间，以基于多个能量项识别一个或多个氢键网络；筛选识别的一个或多个氢键网络，以基于一个或多个识别的氢键网络的得分识别一个或多个筛选的氢键网络；并产生与一个或多个筛选的氢键网络相关的输出。在另一方面，提供了一种装置。该装置包括：用于确定与一个或多个分子相关的氢键网络的检索空间的装置，其中该检索空间包括与多个与氢键网络相关的残基相关的多个能量项；用于检索该检索空间以基于多个能量项识别一个或多个氢键网络的装置；用于筛选识别的一个或多个氢键网络以基于所识别的一个或多个氢键网络的得分识别一个或多个筛选的氢键网络的装置；和用于产生与一个或多个筛选的氢键网络相关的输出的装置。在一个方面，本专利技术提供了包含在其全长上与选自SEQIDNO：2-79的氨基酸序列至少75％相同的氨基酸序列的多肽SEQIDNO：。另一方面，本专利技术提供了包含式I的氨基酸序列或由其组成的多肽：Z1-Z2-Z3-Z4-Z5，其中，Z1是包含式2的氨基酸序列的螺旋起始序列，该式2为：J1-J2-J3，其中J1选自由S、T、N、和D组成的组；J2选自由P、E、R、K、L、A组成的组；和J3选自由E、D、R、K、I、L、V、A、S、T、Y组成的组，或空缺；Z3是螺旋连接序列，其具有式3的氨基酸序列，该式3为：[RKED]-L-[NQEDRKST]-[NQEDRKST]-[NQEDRKST]-G-[STNQED]-[STNQED]-[STND]-E-[EDRK]-V-[RKED](SEQIDNO：1)；Z5是包含式4的氨基酸序列的螺旋终止序列，该式4为：xx-xx-[RKEDSTNQYA](SEQIDNO：80)；Z2选自通式BX1BX2、X1BBX2、X1BX2B、X1X2BB、BX1X2B、和BBX1X2，其中：B为xx-S-L-xx-xx-Q-xx；X1和X2独立地具有式5的氨基酸序列，该式5为：O1O2O3O4O5O6O7，其中：O1、O4、O5、O7为xx；O2和O3独立地为选自由I、L、和A组成的组；和O6为L；和Z4为选自由通式B2X3B2X4、X3B2B2X4、X3B2X4B2、X2X2B2B2、B2X1X2B2、和B2B2X1X2组成的组，其中B2为xx-L-A-xx-xx-Q-xx；和X3和X4独立地具有式6的氨基酸序列，该式6为：O10O11O12O13O14O15O16，其中O10、O13、O14、O16为xxO11为L，和O12和O15为独立地选自由I、L、V、A组成的组；其中xx为任何氨基酸，并且其中：(i)当Z1为BX1BX2，则Z2为X3B2X4B2；(ii)当Z1为X1BBX2，则Z2为X3B2B2X4；(iii)当Z1为X1BX2B，则Z2为B2X3B2X4；(iv)当Z1为X1X2BB，则Z2为B2B2X3X4；(v)当Z1为BX1X2B，则Z2为B2X3X4B2；并且(vi)当Z1为BBX1X2，则Z2为X3X4B2B2。在其他方面，本专利技术提供了编码本专利技术多肽的核酸、包含与启动子序列可操作地连接的本专利技术核酸的表达载体，和包含该表达载体的宿主细胞。附图说明图1：HBNetTM方法和设计策略概述。(A)(左)考虑在每个残基位置设计的极性氨基酸类型的所有侧链构象(旋转异构体)；(中)氢键旋转异构体的多个组合是可能的，并且挑战是贯穿该空间并提取(右)连接的氢键网络。(B-D)HBNetTM。(B)HBNetTM预先计算所有位点对的侧链旋转异构体之间的氢键和空间排斥相互作用能，并将它们存储在图形结构中；节点是残基位置，足够接近相互作用的残基对通过边连接，并且对于每个边，存在相互作用能矩阵；黄色表示具有低于特定阈值的能量的旋转异构体对(具有良好的几何形状和很小的空间排斥力的氢键)。贯穿该图阐明了氢键旋转异构体(网络)的所有可能的不会相互冲突的连接性，。在所示的简单示例中，两对侧链旋转异构体在Resi和Resj产生了良好几何形状的氢键，但本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：使用计算设备确定与一个或多个分子相关的氢键网络的检索空间，其中，所述检索空间包括与涉及所述氢键网络的多个残基相关的多个能量项；基于所述多个能量项，使用所述计算设备检索所述检索空间以识别一个或多个氢键网络；基于对所述一个或多个识别的氢键网络的评分，使用所述计算设备筛选所述一个或多个识别的氢键网络，以识别一个或多个筛选的氢键网络；并且产生与所述一个或多个筛选的氢键网络相关的输出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.01 US 62/317,1901.一种方法，包括：使用计算设备确定与一个或多个分子相关的氢键网络的检索空间，其中，所述检索空间包括与涉及所述氢键网络的多个残基相关的多个能量项；基于所述多个能量项，使用所述计算设备检索所述检索空间以识别一个或多个氢键网络；基于对所述一个或多个识别的氢键网络的评分，使用所述计算设备筛选所述一个或多个识别的氢键网络，以识别一个或多个筛选的氢键网络；并且产生与所述一个或多个筛选的氢键网络相关的输出。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检索空间被配置为具有通过一个或多个边连接的多个节点的图，其中所述多个节点中的节点为基于所述多个残基中的特定残基，所述特定残基具有残基位置，并且其中所述一个或多个边的边基于第一和第二节点之间可能的相互作用连接所述多个节点中的第一节点和第二节点。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一节点涉及所述多个残基中的第一残基，其中所述第二节点涉及所述多个残基中的第二残基，并且其中第一和第二节点之间可能的相互作用涉及所述第一残基的旋转异构体和/或所述第二残基的旋转异构体之间可能的相互作用。4.根据权利要求3所述的方法，其中第一和第二节点之间所述可能的相互作用之间的所述可能的相互作用涉及所述第一残基和所述第二残基之间的相互作用能量。5.根据权利要求4所述的方法，其中，确定所述检索空间包括：确定所述第一残基和所述第二残基之间的所述相互作用能量是否小于相互作用能量阈值；在确定所述第一残基与所述第二残基之间的所述相互作用能量小于所述相互作用能量阈值之后，将包含所述第一节点、所述第二节点和所述第一与第二节点之间的至少一个边的氢键网络添加到所述检索空间。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一和第二节点之间的所述至少一个边包括关于所述第一残基和所述第二残基之间的所述相互作用能量的信息。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述关于所述第一残基和所述第二残基之间的所述相互作用能量的信息包括多个相互作用能量值，其中所述多个相互作用能量值中的每个相互作用能量值与所述第一残基的旋转异构体和/或所述第二残基的旋转异构体相关联。8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中确定所述检索空间包括：在第一分子和第二分子之间的分子间界面，至少确定第一残基位置和第二残基位置，所述第一残基位置与所述第一分子的第一残基相关联且所述第二残基位置与所述第二分子的第二残基相关联；并且基于所述至少所述第一残基位置和所述第二残基位置确定检索空间。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一分子和所述第二分子中的至少一个包含多肽链。10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其中检索所述检索空间包括检索所述检索空间的全部。11.根据权利要求10所述的方法，其中检索所述检索空间的全部包括使用深度优先检索来检索所述检索空间的全部。12.根据权利要求10所述的方法，其中检索所述检索空间的全部包括使用广度优先检索来检索所述检索空间的全部。13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中检索所述检索空间包括：执行所述检索空间的第一检索以识别一个或多个初始氢键网络；通过至少合并所述一个或多个初始氢键网络的第一氢键网络和第二氢键网络来识别所述一个或多个识别的氢键网络。14.根据权利要求13所述的方法，其中合并所述第一氢键网络和所述第二氢键网络包括：确定所述第一氢键网络和所述第二氢键网络是否共用相同的旋转异构体；在确定所述第一氢键网络和所述第二氢键网络共用相同的旋转异构体后，合并所述第一氢键网络和所述第二氢键网络。15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，其中所述一个或多个识别的氢键网络的特定识别的氢键网络的特定评分基于参与所述特定氢键网络的多个极性原子。16.根据权利要求1-15中任一项所述的方法，其中所述一个或多个识别的氢键网络的特定识别的氢键网络的特定评分基于背景参考结构。17.根据权利要求16所述的方法，其中所述特定识别的氢键网络的特定评分基于与一个或多个侧链骨架氢键相关的评分，并且其中所述一个或多个侧链骨架氢键与所述背景参考结构相关。18.根据权利要求1-17中任一项所述的方法，其中所述一个或多个识别的氢键网络的特定识别的氢键网络的特定评分基于能量函数。19.根据权利要求1-18中任一项所述的方法，其中产生与所述一个或多个筛选的氢键网络相关的所述输出包括基于所筛选的氢键网络设计一个或多个分子。20.根据权利要求19所述的方法，其中基于所述筛选的氢键网络设计所述一个或多个分子包括允许一个或多个旋转异构体在筛选的氢键网络中的一个或多个相对小的运动。21.根据权利要求1-21中任一项所述的方法，其中产生与所述一个或多个筛选的氢键网络相关的所述输出包括产生与所述一个或多个筛选的氢键网络相关的多个输出。22.根据权利要求1-21中任一项所述的方法，产生与所述一个或多个筛选的氢键网络相关的输出包括产生基于所述一个或多个筛选的氢键网络的合成基因；使用所述合成基因在体内表达特定蛋白质；并且纯化所述特定的蛋白质。23.权利要求22的方法，其中使用所述合成基因在体内表达所述特定蛋白质序列包括在一种或多种包含所述合成基因的大肠杆菌中表达所述特定蛋白质序列。24.一种计算设备，包括：一个或多个数据处理器；和计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·贝克尔，S·博伊肯，Z·陈，C·许，S·贝米欧，R·兰根，
申请(专利权)人：华盛顿大学，
类型：发明
国别省市：美国,US