Reverse-engineering amyloid strains with generative protein design

计算生物学 淀粉样纤维 生物 序列(生物学) 结构母题 序列空间 淀粉样蛋白(真菌学) 肽序列 蛋白质结构 生成语法 蛋白质测序 淀粉样疾病 蛋白质聚集 序列分析 遗传学 编码 纤维 蛋白质工程 淀粉样β 相容性(地球化学) 序列母题 蛋白质设计 结构生物信息学 生成模型 蛋白质稳定性 序列比对 蛋白质折叠 生物物理学 结构蛋白 转甲状腺素 蛋白质家族 生物化学 基因
作者
Laxmikant G. Gadhe,Katerina Konstantoulea,Aneesh Mazumder,Jie Chen,Łukasz A. Joachimiak,Nikolaos N. Louros
出处
期刊: [Cold Spring Harbor Laboratory]
被引量:2
标识
DOI:10.64898/2026.05.08.723915
摘要

Amyloid fibrils are intrinsically polymorphic protein assemblies that form distinct structural strains linked to diverse biological and pathological outcomes. Yet, the principles governing how sequence encodes diverse fibril architectures, and the extent to which a given fold constrains underlying amino-acid sequence compatibility, remain poorly understood. Here, we apply generative protein design to directly interrogate the sequence–structure relationship of defined fibril architectures, using α-synuclein (αS), a protein known to form highly polymorphic amyloid fibrils, as a model system. Sampling sequence space under structural constraints reveals a continuous compatibility manifold in which diverse sequences encode a common amyloid architecture. De novo designed sequences assemble into fibrils, often with enhanced aggregation efficiency relative to αS. A subset exhibits strain-like behaviour, including similar morphologies, efficient cross-templating, and induction of αS cellular propagation, thereby functionally validating structural compatibility with the native fibril fold. Energetic analysis shows that stability is achieved through distinct but compensatory interactions, supporting a non-unique mapping between sequence and structure. Together, our results define a continuous and constrained compatibility landscape underlying amyloid strains, providing a framework for understanding the determinants of polymorphism and establishing generative protein design as a strategy to access this space, interrogate amyloid sequence–structure relationships, and engineer fibrillar protein assemblies and functional biomaterials.
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