“这是我个人的一小步,但却是人类的一大步”——首个登月的宇航员阿姆斯特朗在踏上月球的一刻说出来这句话。
今天,西雅图华盛顿大学和斯坦福大学的Daniel-Adriano Silva、K. christopher Garcia和David Baker等科学家一起走出了这样的一小步。他们首次实现了从头设计合成一个蛋白抗癌药物,一种细胞因子IL-2的类似物Neo-2/15。这种蛋白设计策略可以广泛用于信号蛋白,将可创造出更多更好的候选药物。
Neo-2/15与人类IL-2只有14%的氨基酸序列相同,但却保留了IL-2的大部分功能,只是去除了可能造成毒副作用的结合CD25的能力。在结肠癌和黑色素瘤的小鼠模型中,Neo-2/15强烈抑制肿瘤生长,甚至在一些小鼠中完全消灭了肿瘤,治疗效果比天然的IL-2还要好。相关论文发表在Nature上[1]。
IL-2在免疫学史上可以说是十分重要,占据了多个第一:它是第一个被克隆的Ⅰ型细胞因子,也是第一个解出受体结构的短链Ⅰ型细胞因子,还是第一个被发现通过特定的高亲和力受体,以类似生长因子的方式作用的细胞因子[2]。
此外,IL-2还是第一种有效的癌症免疫疗法。在1984年11月,一位转移性黑色素瘤患者开始接受大剂量IL-2治疗,数月后,她全身的肿瘤都消失了[3],之后的29年都没有复发[4]。这也是第一次证明,单纯依靠刺激T细胞,就有可能彻底治愈肿瘤。
不过在这次试验中,IL-2也显示出了很强的毒副作用。IL-2在体内诱发了广泛的毛细血管渗漏综合征,导致肺间质浸润,患者体重明显增加。还有一半的患者血肌酐升高,2/3的患者胆红素升高。
IL-2的作用
这些毒副作用很大的限制了IL-2的使用。有研究显示,IL-2的受体由α、β和γ三个亚基组成,其中β亚基和γ亚基与IL-2的结合激活了T细胞,产生IL-2的治疗效果,而α亚基(也称CD25)介导了IL-2的毒副作用[5]。
另一方面,α亚基的存在还让IL-2和β、γ亚基的结合能力增强了大约100倍。这乍一看是好事,可是α亚基主要在起免疫抑制作用的Treg细胞上表达,CD8 效应T细胞和NK细胞上几乎没有α亚基。小剂量使用IL-2的话,激活的几乎全是Treg细胞,反倒抑制了免疫系统[6]。
在临床试验中,IL-2长效制剂NKTR-214与nivolumab联合使用,也出现了降低nivolumab响应率的现象[7]。
Neo-2/15与IL-2受体的β亚基和γ亚基结合
为此,许多科学家试图改造IL-2的结构,让它只能和β亚基、γ亚基结合,而不与α亚基结合[6]。
要改造一个蛋白,通常的做法是从天然的蛋白出发,让其随机突变,直到找到具有合适特性的突变蛋白。但这一做法却在IL-2这碰了壁。毕竟这种方法就是让瞎猫去撞死耗子,而且IL-2本身就不是很稳定,突变体通常还会更不稳定。是时候让猫睁开眼睛了。
研究人员使用X线晶体衍射的方法获得了IL-2和它的受体结合形成的复合物的结构,仔细分析了IL-2与IL-2受体α、β和γ亚基间的相互作用。
利用这些数据,研究人员使用他们自己开发的蛋白设计软件Rosetta,设计出了40种只与β亚基和γ亚基作用,而不结合α亚基的IL-2类似物。从中挑选出了22种进行合成测试,并对它们的结构进行微调,以进一步增强其稳定性和效果。
IL-2的核心是四个α-螺旋,天然的IL-2(中)和Neo-2/15的这四个α-螺旋有着不同的连接顺序
最终,研究人员获得了与IL-2受体β、γ亚基亲和力最强的一个IL-2类似物——Neo-2/15。它与人类的IL-2只有14%的氨基酸相同,与小鼠的也只有24%的氨基酸相同。
稳定性上,Neo-2/15在80℃孵育2小时后,仍能和人类IL-2受体的β、γ亚基结合。即使在95℃孵育1小时后,Neo-2/15也能有效促进T细胞生存。这些条件下,天然的IL-2早就变性失活了。
接下来,研究人员用结肠癌和黑色素瘤的小鼠模型测试了Neo-2/15的治疗效果。相比IL-2,Neo-2/15更为有效的抑制了肿瘤生长,甚至让4只(共10只)黑色素瘤模型小鼠没长出肿瘤。
结肠癌模型小鼠中,Neo-2/15(红)相比IL-2(灰)和不治疗(黑),更好的抑制肿瘤生长(左),提高生存率(右)
作为一个蛋白药物,免疫原性也是个不容忽视的问题。研究人员分别给健康小鼠(4周)和荷瘤小鼠(2周)每天连续注射Neo-2/15,没有检测到任何针对Neo-2/15的抗体。只有加上完全弗氏佐剂增强免疫原性,才能产生相应多克隆抗体,而且这些抗体与内源性的IL-2没有交叉反应,安全性上还是不错的。
“30年来,人们一直在尝试改造IL-2,使其更安全、更有效,但由于天然的蛋白质往往不太稳定,很难做到这一点,”论文的第一作者Silva说,“Neo-2/15非常小,非常稳定。因为我们从头开始设计它,我们了解它的所有部分,我们可以继续改进它,使它更加稳定,活性更强。”
通讯作者David Baker也认为:“这是第一个全新设计的,具有非常明显的抗癌潜力蛋白质。这可能是比之前的药物性能更好的新药。”
目前,华盛顿大学已授权Neoleukin Therapeutics公司对Neo-2/15进行进一步的研究,将其推向临床。
从人类基因组计划一路走来,人类对自身的认识一步步深入。今天,终于实现了根据自己的需要,完全人工设计的全新功能蛋白质。这也让我们离“上帝”更近了一步。
编辑神叨叨
从头设计蛋白,功能和天然蛋白相似,序列却只有14%相同。看来DNA→RNA→蛋白质→功能的这条路至少已经部分打通了。祝David Baker早日拿到诺奖!
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参考文献:
1. SILVA D-A, YU S, ULGE U Y, et al. De novo design of potent and selective mimics of IL-2 and IL-15[J]. Nature, 2019, 565(7738): 186-191.
2. PAUL W E. Fundamental Immunology[M]. Wolters Kluwer/Lippincott Williams & Wilkins, 2008.
3. Rosenberg S A, Lotze M T, Muul L M, et al. Observations on the systemic administration of autologous lymphokine-activated killer cells and recombinant interleukin-2 to patients with metastatic cancer[J]. New England journal of medicine, 1985, 313(23): 1485-1492.
4. Rosenberg S A. IL-2: the first effective immunotherapy for human cancer[J]. The Journal of Immunology, 2014, 192(12): 5451-5458.
5. Boyman O, Sprent J. The role of interleukin-2 during homeostasis and activation of the immune system[J]. Nature Reviews Immunology, 2012, 12(3): 180.
6. Kureshi R, Bahri M, Spangler J B. Reprogramming immune proteins as therapeutics using molecular engineering[J]. Current opinion in chemical engineering, 2018, 19: 27-34.
7. Diab A, Hurwitz M E, Cho D C, et al. NKTR-214 (CD122-biased agonist) plus nivolumab in patients with advanced solid tumors: Preliminary phase 1/2 results of PIVOT[J]. J Clin Oncol, 2018, 36(suppl; abstr 3006).
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