Nature | GOOSE——用于研究无序蛋白的序列-功能的强大工具|序列|敏感性|无序蛋白|系综|细胞|结构域

撰文|章台柳

尽管缺乏稳定的三维结构，内在无序蛋白区域（IDR）却普遍存在于超过7 0% 的人类蛋白质中，并具有至关重要的细胞功能。尽管在结构上是无序的，IDR仍然拥有分子内和分子间相互作用，越来越多的证据表明这些相互作用是各种细胞过程中分子功能的重要驱动因素。尽管它们很重要，但系统地测试IDR序列与分子功能之间的关系仍然具有挑战性。对于折叠结构域，氨基酸序列中特定三维结构的编码使得能够在蛋白质组规模上从结构映射功能，并设计全新的功能蛋白。相比之下，要从IDR序列理解功能并利用这些原则实现功能性无序蛋白设计的能力仍处于发展阶段。

在不同系统中绘制 IDR 序列与功能关系的开创性工作开辟了一条替代的前进道路：在这条道路上，可以通过调节序列属性来研究序列与功能的映射关系。尽管在定义 IDR 的序列 - 功能关系轮廓方面非常有效，但在数百或数千个序列的规模上进行这种操作构成了巨大的设计挑战。这些局限性反映出，要辨别 IDR 的分子基础和功能重要性，需要全新不同的突变和设计范式。

近日，来自华盛顿大学的 Ryan J. Emenecker 、 Alex S. Holehouse 和雪城大学的 Shahar Sukenik 团队在 Nature 杂志上发表文章 Rational design of disordered proteins for sequence–function investigation ，推出了GOOSE（Generate disOrdered prOteins Specifying propErties，生成指定属性的无序蛋白），一个用于IDR理性设计的综合计算框架。GOOSE的多功能性和高通量能力足以设计并测试数千个IDR序列，从而揭示独特的序列与功能关系。利用GOOSE探索这些关系揭示了序列属性如何影响细胞内IDR的结构系综，并设计能够响应与细胞体积减小相关的结构变化的IDR，创建能够自组装并招募特定客户蛋白的支架IDR，以及设计能够保护细胞免受干燥影响的新型IDR。这项工作利用理性序列设计作为探索IDR功能的强大方法，并为设计功能性无序蛋白提供了一个多功能工具。

研究人员推出了GOOSE——一个用于IDR理性设计的计算框架。GOOSE能够快速设计全新的合成IDR以及提供序列的变体，从而促进对序列空间的广泛探索。GOOSE可以通过序列设计IDR属性（如氨基酸组成、电荷、疏水性和电荷模式）、构象属性、化学特异性分子间相互作用或任何任意设计约束（如特定三维构象系综）。对于内置的设计目标，GOOSE每分钟可以生成数千个序列。此外，GOOSE没有特定的硬件要求，具有广泛的可用性。简而言之，GOOSE实现了IDR的快速且简单的文库规模设计，以系统地研究序列与功能的关系。

随后，研究人员对不同的设计模式进行说明，并展示了序列设计实现定制IDR功能的强大能力。首先，使用荧光共振能量转移（FRET）显微镜检查活细胞中序列属性与IDR系综之间的关系。然后，通过设计具有特定系综维度的IDR，展示IDR系综如何与亚细胞定位和对细胞扰动的敏感性相关联。接下来证明GOOSE可以通过生成自组装或与其他设计序列共组装的序列来设计具有特定分子间相互作用的IDR。最后，使用GOOSE设计了一个变体文库，以研究酵母中序列与耐干燥性之间的关系。

以IDR系综影响细胞行为举例。分子大小会影响核输入，较小的蛋白质更自由地扩散进入细胞核。研究发现，随着系综变得紧凑，其核定位增加。IDR在体外和细胞内表现出各种依赖于系综的拥挤响应。通常，增加的拥挤限制了空间并驱动系综紧缩。为了检查系综与对拥挤的敏感性之间是否存在关系，研究人员在成像培养基中添加了甘露醇，导致细胞体积迅速减小并增加细胞拥挤度。添加甘露醇前后的FRET成像显示，扩张的序列发生紧缩，而对紧凑序列影响很小，这与预期一致。然而，少数序列在增加的拥挤度下扩张，这可能是由于与结合伙伴的相互作用增加或溶质浓度增加从而掩盖了吸引力的分子内相互作用。为了进一步检查系综与拥挤敏感性之间的关系，使用GOOSE设计了八个60残基序列。在基础条件下，新序列显示出与目标尺寸之间的预期相关性。接下来，在拥挤测定中测试了这些序列，发现高度扩张的序列在拥挤后表现出最大的紧缩。此外，对于紧凑序列，观察到变化出现平台期，表明高度紧凑的序列不能被拥挤进一步紧缩。这些结果展示了GOOSE设计对拥挤具有更高敏感性序列的能力，以及设计对细胞内环境条件具有特定响应性的IDR的能力。

总的来说，该研究开发了一个用于IDR理性设计的计算框架——GOOSE，其具有序列设计实现定制IDR功能的强大能力，并且GOOSE可以用来深入探究IDR的序列-功能关系。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10849-1

制版人：十一

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