科學(xué)家嘗試從頭開始設(shè)計抗癌蛋白 相比天然抗癌蛋白療效更好

抗癌蛋白對人體的防護效果會更好，《自然》重磅：開天辟地！科學(xué)家首次從頭設(shè)計合成抗癌蛋白，相比天然抗癌蛋白療效更好，副作用消失殆盡。

“這是我個人的一小步，但卻是人類的一大步”——首個登月的宇航員阿姆斯特朗在踏上月球的一刻說出來這句話。

今天，西雅圖華盛頓大學(xué)和斯坦福大學(xué)的Daniel-Adriano Silva、K. christopher Garcia和David Baker等科學(xué)家一起走出了這樣的一小步。他們首次實現(xiàn)了從頭設(shè)計合成一個蛋白抗癌藥物，一種細胞因子IL-2的類似物Neo-2/15。這種蛋白設(shè)計策略可以廣泛用于信號蛋白，將可創(chuàng)造出更多更好的候選藥物。

Neo-2/15與人類IL-2只有14%的氨基酸序列相同，但卻保留了IL-2的大部分功能，只是去除了可能造成毒副作用的結(jié)合CD25的能力。在結(jié)腸癌和黑色素瘤的小鼠模型中，Neo-2/15強烈抑制腫瘤生長，甚至在一些小鼠中完全消滅了腫瘤，治療效果比天然的IL-2還要好。相關(guān)論文發(fā)表在Nature上[1]。

IL-2在免疫學(xué)史上可以說是十分重要，占據(jù)了多個第一：它是第一個被克隆的Ⅰ型細胞因子，也是第一個解出受體結(jié)構(gòu)的短鏈Ⅰ型細胞因子，還是第一個被發(fā)現(xiàn)通過特定的高親和力受體，以類似生長因子的方式作用的細胞因子[2]。

此外，IL-2還是第一種有效的癌癥免疫療法。在1984年11月，一位轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者開始接受大劑量IL-2治療，數(shù)月后，她全身的腫瘤都消失了[3]，之后的29年都沒有復(fù)發(fā)[4]。這也是第一次證明，單純依靠刺激T細胞，就有可能徹底治愈腫瘤。

不過在這次試驗中，IL-2也顯示出了很強的毒副作用。IL-2在體內(nèi)誘發(fā)了廣泛的毛細血管滲漏綜合征，導(dǎo)致肺間質(zhì)浸潤，患者體重明顯增加。還有一半的患者血肌酐升高，2/3的患者膽紅素升高。

IL-2的作用

這些毒副作用很大的限制了IL-2的使用。有研究顯示，IL-2的受體由α、β和γ三個亞基組成，其中β亞基和γ亞基與IL-2的結(jié)合激活了T細胞，產(chǎn)生IL-2的治療效果，而α亞基（也稱CD25）介導(dǎo)了IL-2的毒副作用[5]。

另一方面，α亞基的存在還讓IL-2和β、γ亞基的結(jié)合能力增強了大約100倍。這乍一看是好事，可是α亞基主要在起免疫抑制作用的Treg細胞上表達，CD8+效應(yīng)T細胞和NK細胞上幾乎沒有α亞基。小劑量使用IL-2的話，激活的幾乎全是Treg細胞，反倒抑制了免疫系統(tǒng)[6]。

在臨床試驗中，IL-2長效制劑NKTR-214與nivolumab聯(lián)合使用，也出現(xiàn)了降低nivolumab響應(yīng)率的現(xiàn)象[7]。

Neo-2/15與IL-2受體的β亞基和γ亞基結(jié)合

為此，許多科學(xué)家試圖改造IL-2的結(jié)構(gòu)，讓它只能和β亞基、γ亞基結(jié)合，而不與α亞基結(jié)合[6]。

要改造一個蛋白，通常的做法是從天然的蛋白出發(fā)，讓其隨機突變，直到找到具有合適特性的突變蛋白。但這一做法卻在IL-2這碰了壁。畢竟這種方法就是讓瞎貓去撞死耗子，而且IL-2本身就不是很穩(wěn)定，突變體通常還會更不穩(wěn)定。是時候讓貓睜開眼睛了。

研究人員使用X線晶體衍射的方法獲得了IL-2和它的受體結(jié)合形成的復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，仔細分析了IL-2與IL-2受體α、β和γ亞基間的相互作用。

利用這些數(shù)據(jù)，研究人員使用他們自己開發(fā)的蛋白設(shè)計軟件Rosetta，設(shè)計出了40種只與β亞基和γ亞基作用，而不結(jié)合α亞基的IL-2類似物。從中挑選出了22種進行合成測試，并對它們的結(jié)構(gòu)進行微調(diào)，以進一步增強其穩(wěn)定性和效果。

IL-2的核心是四個α-螺旋，天然的IL-2（中）和Neo-2/15的這四個α-螺旋有著不同的連接順序

最終，研究人員獲得了與IL-2受體β、γ亞基親和力最強的一個IL-2類似物——Neo-2/15。它與人類的IL-2只有14%的氨基酸相同，與小鼠的也只有24%的氨基酸相同。

穩(wěn)定性上，Neo-2/15在80℃孵育2小時后，仍能和人類IL-2受體的β、γ亞基結(jié)合。即使在95℃孵育1小時后，Neo-2/15也能有效促進T細胞生存。這些條件下，天然的IL-2早就變性失活了。

接下來，研究人員用結(jié)腸癌和黑色素瘤的小鼠模型測試了Neo-2/15的治療效果。相比IL-2，Neo-2/15更為有效的抑制了腫瘤生長，甚至讓4只（共10只）黑色素瘤模型小鼠沒長出腫瘤。

結(jié)腸癌模型小鼠中，Neo-2/15（紅）相比IL-2（灰）和不治療（黑），更好的抑制腫瘤生長（左），提高生存率（右）

作為一個蛋白藥物，免疫原性也是個不容忽視的問題。研究人員分別給健康小鼠（4周）和荷瘤小鼠（2周）每天連續(xù)注射Neo-2/15，沒有檢測到任何針對Neo-2/15的抗體。只有加上完全弗氏佐劑增強免疫原性，才能產(chǎn)生相應(yīng)多克隆抗體，而且這些抗體與內(nèi)源性的IL-2沒有交叉反應(yīng)，安全性上還是不錯的。

“30年來，人們一直在嘗試改造IL-2，使其更安全、更有效，但由于天然的蛋白質(zhì)往往不太穩(wěn)定，很難做到這一點，”論文的第一作者Silva說，“Neo-2/15非常小，非常穩(wěn)定。因為我們從頭開始設(shè)計它，我們了解它的所有部分，我們可以繼續(xù)改進它，使它更加穩(wěn)定，活性更強。”

通訊作者David Baker也認為：“這是第一個全新設(shè)計的，具有非常明顯的抗癌潛力蛋白質(zhì)。這可能是比之前的藥物性能更好的新藥。”

目前，華盛頓大學(xué)已授權(quán)Neoleukin Therapeutics公司對Neo-2/15進行進一步的研究，將其推向臨床。

從人類基因組計劃一路走來，人類對自身的認識一步步深入。今天，終于實現(xiàn)了根據(jù)自己的需要，完全人工設(shè)計的全新功能蛋白質(zhì)。這也讓我們離“上帝”更近了一步。