蛋白質籠（protein cage）是由蛋白分子以精確幾何週期性排列而成的多面體籠狀奈米實體，因其類病毒衣殼的精準結構與功能特性，在生物醫藥領域、特別是在基因遞送和仿生病毒方面具有廣闊的應用前景，近年來得到學界深入關注。目前構築蛋白質籠的策略主要分為兩類，一類是利用天然病毒或顆粒蛋白（如ferritin）的重組或後修飾，這種方法往往涉及繁冗的蛋白質工程化步驟；另一類是啟動從頭設計策略（de novo protein design），但必需艱深的蛋白介面對稱設計與計算機輔助技術。且上述方法多采用構象保守的蛋白，難以實現蛋白籠的動態調控。

發展簡潔通用、精準構建蛋白籠的新策略，在避免複雜生物工程與計算建模的前提下實現蛋白籠動態自適應與智慧響應化組裝將為生物醫學與奈米仿生領域開闢一條全新道路。復旦大學閆強課題組提出利用蛋白變構現象（allosterism）來操縱蛋白籠動態組裝的新方法學，該方法依託變構蛋白與分子配體結合時所引發的蛋白質構象精確、大範圍轉變（變構現象）為推動力，驅動蛋白之間自組裝形成具有多面體幾何的籠狀結構，並透過變構因子對蛋白構象的開閉作用調控蛋白籠的動態組裝與解離。

圖1. (a) 鈣調蛋白CaM在變構因子Ca2+調節下的變構現象；(b) 變構效應驅動的蛋白籠精確組裝。

閆強課題組利用一種常見的變構蛋白——鈣調蛋白（calmodulin, CaM）來實現蛋白質籠的動態調控。天然鈣調蛋白在變構因子Ca2+作用下存在兩種變構形式：在Ca2+環境中，鈣調蛋白可與吩噻嗪類配體結合，導致N/C雙端結構域摺疊，使蛋白處於收縮態；而在去除Ca2+後，蛋白構象鬆弛，恢復解摺疊的舒張態（圖1a）。基於這一變構效應，設計類膠原寡肽偶聯的吩噻嗪功能配體PT(POG)n，調控CaM蛋白-蛋白二聚作用、蛋白-配體識別作用與類膠原肽三重螺旋化之間的超分子協同，可實現蛋白籠的精確裝配（圖1b）。進而調節Ca2+水平，操縱蛋白構象轉變，可以控制蛋白籠的動態組裝與解組裝，實現蛋白籠核心酸分子的靶向釋放，模擬天然病毒訊號控制的轉染過程。

圖2. 蛋白籠奈米尺度與配體長度關係

研究發現蛋白籠的奈米尺寸依賴於分子配體長度（圖2）。隨著寡肽鏈聚合度（n）的增加，蛋白籠的尺寸也相應擴大，分別達到19.2 nm (n = 6) ，29.4 nm (n = 10) 和40.5 nm (n = 14)；同一配體形成的蛋白籠具有幾何一致性。這些結果表明僅透過定製配體化學即可精確調控蛋白籠的組裝結構，相比於傳統策略中對蛋白本身的介面修飾或工程化，大大提高了人為改造蛋白籠結構與功能複雜性的可能。冷凍電鏡和三維解析提供了蛋白籠的分子層次結構：蛋白籠具有二十面體對稱性，外殼由CaM組成，內層由剛性配體PT(POG)n支撐（圖3a-c），類似病毒衣殼；蛋白籠表層由正六邊形週期性排列的蛋白六鄰體（hexon）組裝形成，每個六鄰體單元又由CaM三聚產生（圖3d），相鄰兩個單元依託CaM變構後的蛋白-蛋白相互作用形成具有確定二面角的X形互鎖二聚體（圖3e）；而CaM三聚體則是透過配體三重螺旋化和配體-蛋白相互作用構成的三腳架形蛋白結構（圖3f-g）。這三種超分子力相互協同導致蛋白籠的精確組裝，其中配體分子的長度與剛性決定了籠體的幾何尺寸（圖3h）。相應調節Ca2+濃度控制CaM構象狀態可快速解離或重組蛋白籠結構，實現內部DNA功能客體的釋放。

圖3. 蛋白籠的分子層次組裝結構與機理

綜上所述，該項研究工作提出了一種全新的動態可調的蛋白質奈米籠的組裝策略，同時揭示了利用蛋白變構效應構建動態蛋白質結構材料的可能性。

以上成果以Communication的形式發表於CCS Chemistry上。 Self-Assembly of Switchable Protein Nanocages via Allosteric Effect. CCS Chem., 2020, 2, 2223–2232. 該論文的第一作者是高分子科學系博士生許妙苗，通訊作者為高分子科學系閆強研究員。

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http://chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.020.202000437