小分子調控的蛋白質寡聚化提供了一種強大的、劑量和時間依賴性的方法，通過將響應刺激的蛋白質與目標蛋白質基因融合，并利用特定配體調節它們的空間接近性來控制多種生物過程。盡管已經發展了30多年，但小分子響應的寡聚化系統仍然有限。此外，這些系統幾乎僅限于二聚化（化學誘導的二聚化），這限制了它們在需要多個蛋白質組分組裝的生物過程中的應用。此外，現有系統面臨幾個挑戰，包括調控蛋白質的特異性較低——可能導致與天然細胞途徑的交叉作用——以及誘導劑藥代動力學的不足，這阻礙了它們的轉化應用。因此，對于細胞工程和治療開發來說，需要更多種類的小分子響應蛋白質寡聚體。

之前的設計努力已經成功開發出響應配體的系統，但這些方法依賴于現有的蛋白質-蛋白質或蛋白質-配體結構信息，并且仍然局限于異三聚體結構。我們試圖開發一種完全從頭計算的途徑，從單體蛋白質構建塊開始，設計出超越二聚化限制的響應配體的寡聚體。利用對稱結構的優勢，我們以FDA批準的藥物金剛烷胺為例，設計了受金剛烷胺調控的同三聚體。其良好的藥代動力學特性和已建立的安全性使其具有較高的轉化潛力。此外，對稱設計的可擴展性使得可以直接適應不對稱結構，為開發具有多種配置的金剛烷胺響應蛋白質提供了可能，從而實現對各種生物過程的需求驅動控制。

我們開發了一種“對接同時結合”的方法來設計由小分子配體調控的蛋白質同寡聚體。這種方法在對接過程中同時優化了蛋白質-蛋白質和蛋白質-配體之間的相互作用，使得可以直接在蛋白質-蛋白質界面創建一個或多個配體結合口袋。我們成功設計了結合單個金剛烷胺分子（MAITs）的同三聚體，這些同三聚體表現出較弱的配體響應性；同時也設計了結合兩個金剛烷胺分子（dAITs）的異三聚體，顯示出顯著增強的響應性。利用這些同三聚體的可誘導性和多價性，我們開發了單組分、依賴三聚化的轉錄激活系統和可逆的蛋白質凝聚系統，展示了其廣泛的功能用途。我們還通過工程化從原始同三聚體結構衍生的金剛烷胺響應異三聚體（dAIDs）和異三聚體，進一步展示了我們平臺的擴展性。優化的dAID系統實現了對蛋白質定位和基因表達的精確時空控制。關鍵的是，利用金剛烷胺的口服生物利用度，我們通過口服給藥實現了小鼠中基因表達的非侵入性、劑量依賴性控制，突顯了該系統在生物醫學應用中的巨大潛力。

我們提出了一種強大的計算方法，用于高精度和可調響應性地設計小分子調控的蛋白質寡聚體。我們的方法能夠創建受金剛烷胺調控的同三聚體、異三聚體等，并在細胞和動物模型中進行了驗證。我們的蛋白質組分體積小（約65個氨基酸），并且使用的是FDA批準的可口服小分子，使得該系統非常適合轉化應用。我們認為，我們的方法為開發下一代化學誘導的蛋白質組裝工具開辟了新途徑，這些工具在生物技術和基于人類細胞的療法中具有廣泛的應用前景。

小分子調控的蛋白質寡聚化通過高時間精度控制蛋白質之間的接近性，為操縱生物過程提供了強大機制。然而，這樣的系統在自然界中非常罕見，對于從頭設計來說仍然是一個重大挑戰。在這項工作中，我們描述了一種計算方法，用于設計由具有匹配對稱性的小分子配體調控的蛋白質同寡聚體。我們設計了受FDA批準的藥物金剛烷胺調控的同三聚體，并進一步設計了響應金剛烷胺的異三聚體和異四聚體。生物物理特性確認了它們依賴于金剛烷胺的組裝，其晶體結構與設計模型高度吻合。我們證明了它們在控制蛋白質定位、無膜凝聚體形成和基因表達方面的廣泛應用性。我們的方法為設計小分子響應蛋白質開辟了新途徑，并擴展了用于操縱復雜生物過程的化學遺傳學工具箱。