摘要：说一个冷知识，毒蛇咬伤（也称蛇咬伤中毒，snakebite envenoming）是一种“被忽视的热带病（neglected tropical disease，NTD）”——2017年世界卫生组织将毒蛇咬伤列为最高优先级的NTD。根据世界卫生组织的数据，每年有

副标题：从头设计可中和致命蛇毒毒素的蛋白质

今年是蛇年，虽然大街小巷到处可见可爱的卡通蛇类形象，但必须要清楚，蛇在有些时候不会是娇俏的“白娘子”，而是会要人命的冷血杀手。

图片来源：电影《白蛇：缘起》

说一个冷知识，毒蛇咬伤（也称蛇咬伤中毒，snakebite envenoming）是一种“被忽视的热带病（neglected tropical disease，NTD）”——2017年世界卫生组织将毒蛇咬伤列为最高优先级的NTD。根据世界卫生组织的数据，每年有超过200万人被蛇咬伤，其中超过10万人死亡，30万人遭受严重的并发症并因肢体畸形、截肢或其他后遗症而永久残疾。由于资源匮乏，毒蛇咬伤在撒哈拉以南非洲、南亚、巴布亚新几内亚和拉丁美洲的发展中地区带来的后果最为严重。

目前，治疗毒蛇咬伤主要依靠抗蛇毒血清。这种疗法依赖于来自免疫过蛇毒素的动物血浆中的多克隆抗体。尽管抗蛇毒血清在拯救生命方面发挥了重要作用，但在偏远地区，高昂的生产成本和冷链运输与储存基础设施的缺乏限制了抗蛇毒血清的使用。严重的不良反应，包括过敏反应和热原反应，是抗蛇毒血清治疗期间的额外挑战。三指毒素（three-finger toxins, 3FTxs）是蛇毒中的剧毒成分，可引起多种病理反应，包括严重的组织损伤和烟碱乙酰胆碱受体（nAChR）的抑制，导致可危及生命的神经毒性。糟糕的是，3FTxs在产生抗蛇毒血清的动物中免疫原性有限，无法引发强烈的抗体响应，直接导致所得抗蛇毒血清中的中和抗体浓度不理想，在对抗神经毒性和组织坏死方面往往疗效一般。此外，其他基于抗体和非抗体的毒蛇咬伤治疗方法已经在临床前研究中进行了测试，但开发这些类型的分子需要对动物进行免疫或开发大型分子库，这需要广泛的选择、筛选和优化工作。

图1. 3FTxs结构及作用靶标。图片来源：Nature

为解决这些问题，2024年诺贝尔化学奖得主、华盛顿大学教授David Baker与丹麦技术大学Timothy P. Jenkins教授等研究者推测从头设计蛋白质方法可能比传统的抗蛇毒血清开发方法更有优势。原因在于：（1）从头开始的蛋白质设计不依赖于动物免疫，产生的蛋白质可以使用成熟且低成本的重组DNA技术制造，可以实现连续生产批次差异有限的产品。（2）计算设计可以创造具有高亲和力和特异性的结合蛋白质，而不需要通常依赖于纯毒素的广泛实验筛选，而从蛇毒中分离或通过重组表达产生毒素很可能并非易事。（3）与大抗体相比，设计的小尺寸蛋白质具有更强的组织穿透能力，使毒素快速中和，从而更有效地治疗局部组织损伤。（4）设计的蛋白质具有高热稳定性，可以使用低成本的微生物发酵策略生产，这有助于以更低的成本开发和应用新的抗蛇毒治疗方法。近日，他们在Nature 杂志发表论文，采用基于深度学习的RFdiffusion方法从头设计蛋白质来结合来自3FTx家族的短链和长链α-神经毒素和细胞毒素。除了蛇咬伤之外，这种计算设计策略还可用于其他NTD治疗方法的开发。

图2. 3FTx结合蛋白的实验表征。图片来源：Nature

α-神经毒素是3FTxs的一个重要亚类，具有多链β-结构，高度保守的二硫桥稳定的疏水致密核心伸出三个延伸环（图1a）。短链α-神经毒素和长链α-神经毒素的二硫键的长度和数目不同。尽管序列同源，α-神经毒素在烟碱乙酰胆碱受体（nAChR）亚型中具有不同的活性特征：短链α-神经毒素和长链α-神经毒素均能抑制肌肉型nAChRs，但只有长链α-神经毒素能与神经元α7-nAChRs强结合（图1c）。许多种蛇的毒液都是由这两种α-神经毒素产生致命作用的，因此对这两种α-神经毒素进行中和是达到治疗效果和防止毒液致死的关键。为了实现功能中和，作者重点研究了通过空间位阻阻断神经毒素与nAChR结合的模式。他们没有像以前的研究那样专注于nAChR结合位点，而是利用最近开发的方法，使靶标中的边缘β-链与设计的结合蛋白质中几何匹配的边缘β-链互补，从而实现对极性靶标的高亲和力结合蛋白质的可靠设计。细胞毒素是在眼镜蛇毒液中发现的3FTx家族中的另一类重要成员，它通过破坏磷脂膜的稳定性来发挥细胞毒性作用并诱导局部组织损伤（图1b）。为了靶向细胞毒素，作者假设仅仅依靠β-链配对相互作用可能无法充分阻止细胞毒素插入细胞膜，因为它们的三指环在膜相互作用和破坏中起着关键作用。于是，他们将重点放在直接结合到细胞毒素的三指环上。

图3. 3FTx结合蛋白的晶体结构与设计模型非常吻合。图片来源：Nature

具体到从头设计蛋白质，他们使用基于深度学习的RFdiffusion方法，依靠ProteinMPNN进行序列设计，并在AlphaFold2初始猜测和Rosetta指标的基础上对所得设计进行筛选，并选择最有希望的候选设计进行实验表征。在晶体结构研究的指导下，通过有限的实验筛选，作者获得了具有显著热稳定性、高结合亲和力和与计算模型接近原子水平一致性的蛋白质设计。他们设计的蛋白质在体外测试中有效地中和了所有三个3FTx亚家族，并在体内测试中保护小鼠免受致命的神经毒素攻击。这种有效、稳定且易于制造的毒素中和蛋白可以为更安全、性价比更高且更易获得的下一代抗蛇毒血清治疗提供基础。

图4. 3FTx结合蛋白的体外和体内活性。图片来源：Nature

综上，基于深度学习方法从头设计蛋白质来中和蛇毒毒素，为发展比目前使用的抗蛇毒血清更安全、更经济、更易获得的治疗方法提供了希望。他们设计的蛋白质具有明显的优势，例如可通过重组DNA技术而非免疫动物来制造，产品批次间质量差距极小；尺寸很小，可以容易地渗透到组织中迅速中和毒素以减少伤害；热稳定性高，可以通过发酵制备，并且对于冷链设施要求较低，更利于存储与运输。作者还表示，“计算设计方法可以大大降低开发NTD疗法的成本和资源需求。”[1]

De novo designed proteins neutralize lethal snake venom toxins

Susana Vázquez Torres, Melisa Benard Valle, Stephen P. Mackessy, Stefanie K. Menzies, Nicholas R. Casewell, Shirin Ahmadi, Nick J. Burlet, Edin Muratspahić, Isaac Sappington, Max D. Overath, Esperanza Rivera-de-Torre, Jann Ledergerber, Andreas H. Laustsen, Kim Boddum, Asim K. Bera, Alex Kang, Evans Brackenbrough, Iara A. Cardoso, Edouard P. Crittenden, Rebecca J. Edge, Justin Decarreau, Robert J. Ragotte, Arvind S. Pillai, Mohamad Abedi, Hannah L. Han, Stacey R. Gerben, Analisa Murray, Rebecca Skotheim, Lynda Stuart, Lance Stewart, Thomas J. A. Fryer, Timothy P. Jenkins & David Baker Show fewer authors

Nature, 2025, DOI: 10.1038/s41586-024-08393-x

来源：X一MOL资讯