揭示合成细胞受体的结构和功能关系

西北大学的研究人员已经确定了工程细胞受体的结构特征，这些特征与受体功能的变化有关

计算蛋白质结构预测工具用于分析合成受体库，揭示了外结构域（ECD）距离和跨膜结构域（TMD）相互作用等特定结构属性与受体性能有关

工程细胞疗法依赖于合成受体将外部信号转化为细胞内反应。受体结构和功能之间的精确关系仍然知之甚少。蛋白质结构预测工具的进步，如AlphaFold和ColabFold，使复杂蛋白质的建模成为可能，包括单程跨膜受体

在GEN Biotechnology上发表的“使用计算结构预测探索工程受体性能中的结构-功能关系”研究中，研究人员将预测的蛋白质构象与四个工程受体家族的实验性能指标相结合，检查某些分子特征是否与功能输出相关

研究人员分析了来源于天然细胞因子受体的工程受体库，重点研究了模块化细胞外传感器架构（MESA）受体。MESA受体使用配体诱导的二聚化来激活分裂的烟草蚀刻病毒蛋白酶（TEVp），该蛋白酶释放转录因子来驱动基因表达

ColabFold用于生成受体ECD与其配体复合物的结构模型，而PREDIMER用于模拟TMD相互作用

量化了结构特征，包括ECD距离、ECD接触、TMD距离、TMD接触、TMDS交叉角和TMD退出角。基于实验数据中的状态报告表达（OS）和折叠诱导（FI）评估受体性能

受体性能的显著变化可以用结构特征来解释。ECD和TMD距离越短，OS越高，而ECD和TMDS接触越多，性能也越高。TMD出口角与某些受体家族的受体功能有显著关系，特别是在肿瘤坏死因子（TNF）MESA中

结构模型解释了异四聚体受体（如白细胞介素-10（IL-10）MESA和转化生长因子β（TGFb）MESA）的性能变化较小。这表明，其他因素，如高阶受体复合物的形成，可能对这些受体的性能有更大的贡献

为了补充结构分析，研究人员评估了代表受体链内结构域选择的分类变量。受体成分的一种热编码显示，在C末端链中含有CD28 TMD和VEGFR1 ECD的VEGF MESA受体表现出更高的OS。简化的分类模型解释了57%的OS变异，与结构模型的性能密切相关

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整合结构和分类特征的组合模型显示出卓越的预测能力，解释了79%的OS变异。这一改进表明，虽然结构和分类模型共享一些信息，但它们捕捉到了受体性能的不同决定因素

这些发现为合成受体工程提供了可行的假设。例如，修饰受体连接体以增强ECD接触，或选择有利于更接近C末端的TMD对，可以改善受体功能

这项工作的一个显著挑战是使用ColabFold对整个单程跨膜受体进行建模，包括天然胞外结构域（ECD）、跨膜结构域（TMD）和分裂的TEVp胞内结构域（NTEVp或CTEVp）

具体来说，该工具难以在长受体序列中对齐较短的TEVp区域。在多序列比对（MSA）搜索步骤中，较大的ECD和天然TMD通常主导比对结果，导致ColabFold掉落或覆盖TEVp片段不佳

因此，预测的结构有时无法显示正确折叠的NTEVp或CTEVp，导致这些细胞内部分的置信度得分（pLDDT）较低

较短的外结构域（如IL-10受体）更有可能保留TEVp结构域的覆盖范围，使一些全长模型能够收敛到NTEVp和CTEVp重构的结构上

由于这些比对问题，该研究选择了模块化方法，用ColabFold分别模拟ECD-配体复合物，然后使用PREDIMER捕获TMD-TMD相互作用

虽然这种策略阻止了NTEVp和CTEVp在膜约束下如何定向的直接可视化，但它确保了对预测的细胞外和跨膜区域的更高信心。权衡的是，分子间效应没有被完全捕捉到 More information: William K. Corcoran et al, Exploring Structure—Function Relationships in Engineered Receptor Performance Using Computational Structure Prediction, GEN Biotechnology (2025). DOI: 10.1089/genbio.2024.0057