背景

蛇咬中毒是一种毁灭性和被忽视的热带病毒，会给人造成严重并发症和残疾。三指毒素（3FTx）是蝰蛇毒液中高度有毒的成分，可导致多种病理变化，包括严重的组织损伤和抑制烟碱型乙酰胆碱受体，从而导致致命的神经毒性。目前，唯一可用的治疗蛇咬伤的方法是从免疫动物的血浆中提取的多克隆抗体，这些抗体的成本高且对3FTx的疗效有限。

2025年1月15日David Baker团队在nature上发表了一篇名为“De novo designed proteins neutralize lethal snake venom toxins”的研究成果，该研究通过深度学习从头合成了蛋白质，以结合来自3FTx家族的短链和长链α-神经毒素及细胞毒素。通过有限的实验筛选获得了具有显著热稳定性、高亲和力和接近原子水平的计算模型一致性的蛋白质设计。设计的蛋白质在体外有效地中和了所有三种3FTx亚家族，并保护小鼠免受致命神经毒素的挑战。这种强效、稳定且易于制造的毒素中和蛋白可以为更安全、更具成本效益且广泛可用的下一代抗蛇毒疗法提供基础。

设计方法

研究人员使用基于深度学习的RFdiffusion方法设计了能够与短链和长链α-神经毒素以及细胞毒素结合的蛋白质。设计的重点是通过空间位阻阻止神经毒素与烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）结合。通过将靶标中的边缘β链与设计的粘合剂中几何匹配的边缘β链互补，实现了对极性靶标的高亲和力粘合剂的稳健设计。通过ProteinMPNN进行序列设计，并使用AlphaFold2和Rosetta指标进行筛选，根据其干扰毒素与nAChR结合的能力选择顶级候选药物进行体外验证。

实验结果

α-神经毒素结合蛋白：

SHRT：它是针对短链α-神经毒素ScNtx最佳候选者，结合亲和力达到0.9 nM，热稳定性高（熔点温度Tm为78°C）。确定了APO状态下SHRT设计的结构，该结构与计算设计模型密切匹配（2.58Å分辨率；1.04Å根平方平方偏差（RMSD））。结合剂与神经毒素的环III相互作用，这是毒素与肌肉型nAChRs结合的关键。SHRT中的β链在毒素中形成广泛的主链氢键，其边缘为β链。而位于SHRT中α螺旋上的酪氨酸45与ScNtx上的半胱氨酸41形成主链氢键。

LNG：针对长链α-神经毒素α-眼镜蛇毒素，结合亲和力为1.9 nM，热稳定性极高（Tm > 95°C）。晶体结构与设计模型非常接近（分辨率2.68 Å，设计部分均方根偏差0.42 Å，毒素部分0.61 Å）。与设计模型中一样，结合剂与神经毒素的中央环II相互作用，这对于毒素与肌肉型和神经元 α7-nAChRs的相互作用至关重要。这种相互作用主要由LNG中β链和毒素中β链之间的主链氢键介导。

细胞毒素结合蛋白：

CYTX具有高溶解度，CYTX与Naja pallida细胞毒素的结合亲和力为271 nM，热稳定性高（Tm为61°C）。CYTX与Naja pallida细胞毒素的复合物晶体结构与设计模型的晶体结构非常匹配（分辨率2.0 Å，设计部分均方根偏差1.32 Å，毒素部分0.58 Å）。结构显示CYTX与毒素的II环和III环形成了广泛的电静相互作用网络。

体内外中和实验

体外中和实验SHRT在1:1摩尔比下完全中和ScNtx。LNG在1:1摩尔比下完全中和α-眼镜蛇毒素；他们都比之前表征的纳米抗体具有更好的中和效力。CYTX在1:5摩尔比下对七种不同Naja蛇毒表现出70-90%的保护效果。

体内中和实验SHRT在1:10摩尔比下完全保护小鼠免受ScNtx的致命挑战，但它并没有中和非靶标α-cobratoxin。LNG在1:10摩尔比下完全中和α-眼镜蛇毒素，但不中非靶向ScNtx。

总结

这项研究展示了利用深度学习方法进行从头蛋白质设计的潜力，为开发更安全、更具成本效益且更易于获得的下一代抗蛇毒疗法提供了基础。这些设计的蛋白质可能成为治疗蛇咬伤中毒的有效工具，特别是在资源有限的环境中。从头设计蛋白具有高亲和力，特异性，热稳定性以及增强的组织穿透性，低成本制造的优势，为未来新药发现提供了新的途径和工具。