タンパク質工学の進歩

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タンパク質を操作する能力は、酵素の製造から次世代の治療薬の設計に至るまで、いくつかの業界の研究開発プロセスの基本的な部分です。 タンパク質を操作して新しい特性を導入したり、機能を最適化したりするという概念は新しいものではありませんが、洗練された新しいツールキットが急速に登場しています。 この記事では、治療用途のためのタンパク質工学の最も注目されている 2 つの分野と、機械学習と人工知能 (AI) がこの分野をどのように変革していくかを見ていきます。

タンパク質は、キナーゼ、ホスファターゼ、プロテアーゼなどの標的酵素から、治療用抗凝固剤、ホルモン、成長因子として使用される天然ヒトタンパク質の人工バージョンに至るまで、治療分野の広大な領域を占めています。 しかし、おそらく最もエキサイティングで最も急速に進化しているタンパク質医薬品グループは抗体です。 抗体治療分野は、初期のモノクローナル抗体から、多くの異なる操作された誘導体を含む分野へと急速に成長しました。 現在、抗体は、抗体が薬物ペイロードを標的部位に送達する抗体薬物複合体から、異なる抗原に同時に結合する多価抗体まで、さまざまな新規薬物クラスに設計されています。

Zhiquiang An 博士は、ヒューストンのテキサス大学健康科学センターのテキサス治療研究所所長であり、さまざまな治療適応症のための抗体工学の専門家です。 新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミック中、彼の研究室はすぐに動員され、SARS-CoV-2.1に対して強力かつ広範な防御を提供する中和IgM抗体点鼻スプレーを製造した。これは、2つの結合部位を持つウイルスに対する親IgG抗体を操作することによって達成された。 10 個の結合部位を持つ IgM バージョンに比べて、230 倍強力になりました。 現在、彼のチームは、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）や将来のパンデミックに対する次世代抗体の開発に取り組むだけでなく、神経変性疾患やがんなどの他の適応症に対する抗体工学の最前線に立っている。

「私たちの優先分野の 1 つは、脳腫瘍やアルツハイマー病 (AD) などの CNS 標的に到達できるように、血液脳関門を通過できる抗体を設計することです」と An 氏は言います。 「私たちのもう一つの焦点は、抗体の価数を高めて、より大きな効力を達成できるようにすることです。」

最近の研究で、アン氏のチームはこれら両方のアプローチを組み合わせて、AD に対する抗体ベースの薬を設計しました。 彼らは、ミクログリアにアミロイド斑を飲み込むように指示する受容体である TREM2 (骨髄細胞上のトリガー受容体 2) を標的とする抗体を設計しました。 二価 IgG1 抗体を四可変ドメイン抗体に改変することにより、効力が向上しました。 次に、脳への侵入を改善するために、TREM2 とトランスフェリン受容体の両方を標的とする二重特異性抗体を設計しました。

「トランスフェリン受容体は、循環から脳へ第二鉄を輸送する役割を担っており、非常に効率的です」とアン氏は説明した。 「抗体がトランスフェリン受容体に結合すると、受容体は血液脳関門を越えて抗体を反転させることができます。」 トランスフェリン輸送の概念は新しいものではありませんが、An がこの技術をチームの TREM2 抗体と組み合わせたところ、抗体の効力は 100 倍に増加し、脳内の標的に到達する能力は 10 倍に増加しました。 二重特異性抗体は現在前臨床開発中です。

アンの研究室は、重鎖を持ち軽鎖を持たない抗体であるナノボディの設計にも興味を持っています。 「抗体は組織透過性が低い大きな分子であるため、より小さな結合部位を持つラクダや他のいくつかの動物種に由来するナノボディを操作できる可能性を検討しています」とアン氏は言う。 「これらは、より大きな分子で薬剤を開発するのが難しい、GPCRやトランスポーターなどの複雑な膜タンパク質を標的とするのに興味深いものです。」

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タンパク質工学におけるもう 1 つの注目のトピックは、タンパク質の翻訳後修飾の操作です。 「伝統的に、タンパク質工学は、タンパク質のアミノ酸配列の部位特異的突然変異誘発に焦点を当ててきました」と、ウィリアム・L・ルイス工学教授でコーネル生物工学研究所所長のマシュー・デリサ教授は言う。「しかし、ほぼすべてのタンパク質は翻訳後変異である。何らかの方法や形で修飾されるため、これはタンパク質の設計と工学の重要な部分となっています。」

最も豊富な修飾の 1 つはグリコシル化、つまりタンパク質骨格へのグリカン グループの追加です。 グリカンは、共有結合して独特の構造を形成する 1 つ以上の単糖を含む複合炭水化物です。 グリカンはタンパク質のフォールディング、安定性、相互作用、生物学的活性において重要な役割を果たしており、グリカンを介した特性を操作できることが非常に望ましいものとなっています。

糖鎖エンジニアリングには、新しい糖鎖を導入するか、既存の糖鎖を変更するという 2 つの主なアプローチがあります。 「最初のシナリオでは、特定のグリコシル化酵素にシグナルを送り、特定のモチーフにグリカン基を追加する新しいアミノ酸モチーフを導入することで、実際にタンパク質の配列を変更します」とデリサ氏は言う。 「2 番目のアプローチでは、グリカンを生成する生合成経路を操作することで、天然のグリカン構造を再構築します。」

繰り返しになりますが、現在これらの方法の主な用途の 1 つは抗体の開発です。 これは、抗体の Fc ドメインのグリコシル化が、下流のエフェクターと結合する抗体の能力にとって重要であるためです。

人工グリカンを用いて作製された最初の抗体はオビヌツズマブ (Gazyvaro) であり、慢性リンパ性白血病および濾胞性リンパ腫の治療薬として承認されています。 この抗体は、グリカン生合成経路を操作することによって生成されました。抗体が生成される細胞は、MGAT3 とゴルジマンノシダーゼという 2 つのグリコシル化酵素を過剰発現するように操作されています。 これらの過剰発現した酵素は、抗体に結合するフコースの量を減らし、ナチュラルキラー細胞を活性化する抗体の能力を高めます。

「Fc ドメインで起こるグリコシル化を操作または変更することで、抗体の構造と機能に大きな影響を与えることができます」と DeLisa 氏は言います。 「これにより、高度に炎症促進性または抗炎症性などのカスタマイズされた特性を備えた抗体を作成できるようになります。」

抗体などのタンパク質ベースの治療薬を製造する技術は向上していますが、依然として時間のかかる実験ワークフローが必要です。 しかし、AI はすぐにこのプロセスを加速する可能性がある、と An 氏は言います。「AlphaFold のような AI ベースのプログラムは、より特異的で強力な抗体を設計するためにすでに使用されています。将来的には、これらにより、抗原の構造に基づいてより効果的な抗体を設計できるようになります。」 」

デリサ氏によれば、これはすでにタンパク質工学のやり方を変えつつあるアプローチであり、「現在では、X線結晶構造解析を行わずに、コンピュータからすべてのタンパク質の三次元構造についてかなり良好な予測を簡単に得ることができます。そのような予測は、次のような目的に使用できます。」抗体が標的抗原にどれだけ強く結合するかなど、タンパク質の特定の特性を改善しようとする合理的な工学キャンペーンをガイドするこのアプローチは、結晶構造がほとんど存在しない膜タンパク質などのタンパク質の特定のサブクラスにとって特に価値があります。 」

コンピューターツールも現在、タンパク質治療薬をゼロから作成するために使用され始めています。 「このアプローチは、自然界の酵素の膨大なコレクションの中に現在存在しないデザイナー酵素や抗体を作成するために使用できる可能性があります。」とデリサ氏は言います。「これは、病原性標的に結合したり、酵素活性を達成したりするまったく新しいソリューションを思いつくことができることを意味します。」自然がこれらの問題をどのように解決したかに制約されることなく。」

抗体またはタンパク質が設計されると、それを研究室で合成し、望ましい特性についてテストすることができます。 すべての設計が機能するわけではありませんが、反復プロセスを通じて成功と失敗から学習し、ツールの設計が向上します。

「これらのツールは、より優れたタンパク質ベースの医薬品、またはまったく新しい医薬品をゼロから設計するのに役立つという点で、今後 10 年以上にわたって大きな役割を果たすでしょう」とデリサ氏は言います。 「しかし、これは治療に限定されるものではないと思います。これらのツールは、クリーンエネルギーやバイオベースの材料の生産を可能にする強力な酵素触媒から、世界の食糧需要を満たすのに役立つ持続可能な調達のタンパク質に至るまで、多くの分野を変革するでしょう。」

参考文献

1. Ku Z、Xie X、Hinton PR、他 IgM の経鼻投与は、SARS-CoV-2 変異体からの広範な防御を提供します。 自然。 2021;595(7869):718-723。 土井:10.1038/s41586-021-03673-2

2. Zhao P、Xu Y、Jiang L、他。 四価の TREM2 アゴニスト抗体は、アルツハイマー病のマウス モデルにおいてアミロイド病変を軽減しました。 科学翻訳医学。 2022;14(661):eabq0095。 doi:10.1126/scitranslmed.abq0095

3. ウマーニャ P、ジャン＝メレ J、マウドリー R、アムストゥッツ H、ベイリー JE。 最適化された抗体依存性細胞傷害活性を備えた、抗神経芽腫 IgG1 の改変されたグリコフォーム。 ナットバイオテクノロジー。 1999;17(2):176-180。 土井:10.1038/6179