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基于丙肝病毒NS3/4A蛋白酶及其靶向药物Danoprevir的小分子介导的异源二聚化的蛋白质元件的设计与合成

批准号:
32101181
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王之礩
依托单位:
学科分类:
合成生物学与生物改造技术
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王之礩

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
合成生物学已被应用于新型的临床治疗模式,如CAR-T细胞疗法已能够成功治疗白血病和淋巴瘤。但是现有的CAR-T细胞一旦进入病人体内,因其功能无法被精准调控,其过度激活可能造成严重危害甚至致命。使用小分子药物作为控制细胞功能的开关,在时间和空间上精准地调控CAR-T细胞的功能的方法,有望解决CAR-T细胞疗法的安全性问题。目前已有一些研究成功运用小分子化合物介导的二聚化生物元件来控制CAR-T细胞的开关。然而这些小分子化合物均不属于药监局批准药物,且二聚化生物元件使用的蛋白配体不具有生物正交性,其人体安全性有待考证。本研究项目拟以药监局批准的药物Danoprevir和丙肝病毒NS3/4A蛋白酶复合物为基础,运用Rosetta程序从头设计具有生物正交性的蛋白配体,并进一步定向进化成小分子化合物介导的异源二聚化的蛋白质元件,以用于下一代CAR-T细胞疗法。
英文摘要
Synthetic biology has been used in new therapeutic modalities, such as chimeric antigen receptor T (CAR-T) cell therapy, which has been successfully used to treat acute lymphoblastic leukemia and lymphomas. However, once the engineered CAR-T cells are injected into the patient, they cannot be effectively controlled, resulting in severe toxicity and even fatality. The use of small-molecule drugs as a switch to control the cell function can achieve temporal and spatial accuracy to regulate the function of engineered CAR-T cells in order to solve the safety issue of CAR-T cell therapy. Recently, some studies regulate the switch control of CAR-T cells by chemically induced dimerization tools. However, these small molecules are not FDA-approved drugs, and the proteins used in the chemically induced dimerization tools are not bio-orthogonal, so their human safeties are yet to be tested. This proposed project is using the Rosetta program to de novo design bio-orthogonal protein binder for the FDA-approved drug Danoprevir and HCV NS3/4A protease complex. Directed evolution will be further used to develop it into a chemically induced protein hetero-dimerization tool. The results could be used in next-generation CAR-T cell therapy.
嵌合抗原受体T细胞(CAR-T)技术已经广泛用于治疗急性淋巴细胞白血病和B细胞淋巴瘤等疾病。但是CAR-T技术具有一些安全隐患,所以需要对CAR-T细胞治疗的位置、强度、持续时间进行控制。小分子化学物诱导蛋白质二聚化(CID)系统包括三个组成部分,即两个蛋白质和一个特定的开关分子,可以用来实现对于CAR-T细胞功能的精确控制,以减少和避免安全隐患和副作用。然而目前已有的CID系统还存在一些缺陷:FRB/FKBP/rapamycin系统中的蛋白质不具备生物正交性且rapamycin本身是一种免疫抑制剂,对人体的安全性仍有待考证;NS3A/Danoprevir/DNCR2系统中DNCR2蛋白质尺寸过大,且蛋白稳定性差,不利于慢病毒载体对CAR-T 细胞的基因转导。. 本项目应用基于人工智能的蛋白质设计工具RFdiffusion与ProteinMPNN,并结合AlphaFold3结构预测验证可以快速准确地进行蛋白质设计。丙肝病毒NS3/4A是丙肝病毒的丝氨酸蛋白酶,Danoprevir是一种2018年国家药监局批准的靶向NS3/4A的小分子强效抑制剂,有效解决了小分子药物安全性的问题。基于研究者此前开发的NS3a/Danoprevir/DNCR2 CID系统,首先将8个螺旋的DNCR2进行截短,保留与NS3a/Danoprevir互作界面上的3个螺旋(81个氨基酸)和5个螺旋(136个氨基酸)的方式来减少氨基酸数,并通过ProteinMPNN重新设计蛋白质序列,并提高其热稳定性。将计算设计并筛选出的12个结合蛋白,进行全基因合成,在大肠杆菌中进行表达纯化。利用生物膜干涉技术测定所设计蛋白与NS3a/Danoprevir复合物的亲和力,其中4个结合蛋白的亲和力达到纳摩尔级别,并通过AlphaFold3精准预测并验证了该蛋白质与小分子药物Danoprevir的三元复合物结构。目前正在开展在哺乳动物细胞中验证该小分子药物介导的蛋白质的二聚化的生物元件的实验。. 本项目设计开发的稳定性高的、具有正交性的国家药监局批准的小分子药物Danoprevir介导的异源二聚化的蛋白质元件,将将可以直接用于下一代CAR-T 细胞来更安全、更有效地治疗癌症。它还将深入地证明蛋白质从头设计用于在细胞中实现复杂合成和调节功能,并应用于生物技术和治疗中的巨大潜力。
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