様々な細胞に侵入するタンパク質

ハーバード大学率いる研究チームは、ボツリヌス毒素を進化させてさまざまな異なるタンパク質を標的にし、一連の超選択的タンパク質を作成できることを証明しました。

Researchers prove they can engineer proteins called proteases to find new targets with high selectivity, a critical advance toward potential new treatments for everything from neuro-regeneration to cytokine storm

参照元：https://chemistry.harvard.edu/news/%E2%80%9Cmiracle-poison%E2%80%9D-novel-therapeutics
– ハーバード大学 Harvard University. February 24, 2021 –

ボツリヌス毒素を聞くと、眉をひそめている化粧品と致命的な毒のどちらかを考えることがよくあります。

しかし、「奇跡の毒」は、それも知られているように、慢性片頭痛、制御されていないまばたき、特定の筋肉のけいれんなどの一連の病気を治療するためにFDAによって承認されています。

そして今、ハーバード大学とブロードインスティテュートの研究者チームは、実験室で毒素を急速に進化させてさまざまな異なるタンパク質を標的にし、一連の特注の超選択的タンパク質を作成できることを初めて証明しました。

それは、神経再生を助け、成長ホルモンを調節し、横行する炎症を鎮め、またはサイトカインストームと呼ばれる生命を脅かす免疫反応を弱める可能性のあるプロテアーゼの話です。

化学化学生物学部のポスドク研究員であり、Scienceに掲載された研究の筆頭著者であるTravisBlum氏は話します。

「理論的には、介入できる条件の数と種類には非常に高い上限があります。」

この研究は、ハーバード大学医学部の准教授であるミン・ドンと、自然科学のトーマス・ダドリー・キャボット教授であり、ハワード・ヒューズ医学研究所の調査員であり、ブロードのコア教員であるデビッド・リューとの共同研究の集大成です。

チームは一緒に、2つの最初の成果を達成しました。

プロテアーゼ（タンパク質を切断して活性化または非活性化する酵素）を再プログラムして、開始プロテアーゼのネイティブターゲットとほとんどまたはまったく類似していないものも含めて、まったく新しいタンパク質ターゲットを切断することに成功しました。

同時に元のターゲットとの関わりを避けるために、彼らはまた、ブルムが「生物学における古典的な挑戦」と呼んだもの、つまり細胞に侵入できる治療法の設計にも取り組み始めました。

ほとんどの大きなタンパク質とは異なり、ボツリヌス毒素プロテアーゼはニューロンに大量に侵入する可能性があり、より広い範囲を提供するため、潜在的な治療薬としてさらに魅力的です。

現在、チームの技術は、どのタンパク質を切断するかについてのオーダーメイドの指示でカスタムプロテアーゼを進化させることができます。

劉氏は話します。

「このような機能は、「プロテオームの編集」を実現可能にする可能性があります。ゲノムを編集する技術の最近の開発を補完する方法です。」

現在の遺伝子編集技術は、根底にある遺伝的エラーによって引き起こされる鎌状赤血球貧血のような慢性疾患を標的にすることがよくあります。

エラーを修正すると、症状が薄れます。

しかし、脳卒中後の神経学的損傷のようないくつかの急性疾患は、遺伝的ミスによって引き起こされたものではありません。

そこで、プロテアーゼベースの治療法が登場します。

タンパク質は、一時的または1回限りの治療を通じて、神経損傷などを治癒する身体の能力を高めるのに役立ちます。

科学者たちは何十年もの間、病気を治療するためにプロテアーゼを使用することに熱心でした。

体内の特定の外来物質のみを攻撃できる抗体とは異なり、プロテアーゼは任意の数のタンパク質を見つけて付着することができ、一度結合すると、標的を破壊するだけではありません。

それらは、例えば、休眠中のタンパク質を再活性化する可能性があります。

劉氏は話します。

「これらの重要な特徴にもかかわらず、プロテアーゼはヒトの治療薬として広く採用されていません。主に、選択したタンパク質標的を切断するプロテアーゼを生成する技術がないためです。」

しかし、劉氏はポケットの中に技術的なエースを持っています。

PACE（ファージ支援の継続的な進化の略）と呼ばれています。

劉氏のラボの発明であるこのプラットフォームは、価値のある機能を備えた新しいタンパク質を急速に進化させます。

劉氏によると、PACEは最小限の人間の介入で1日に数十世代のタンパク質を進化させることができるという。

チームは最初にPACEを使用して、いわゆる「無差別」プロテアーゼ（広範囲のタンパク質を自然に標的とするプロテアーゼ）を教えて、特定の標的の切断を停止し、はるかに選択的になるようにしました。

それがうまくいったとき、彼らはより大きな挑戦に移りました。

その自然の操舵室の外にある全く新しい標的だけを認識するようにプロテアーゼを教えること。

劉研究室のメンバーで論文の著者であるマイケル・パッカー氏は話します。

「「最初は、このユニークなクラスのプロテアーゼを使って進化させたり、新しいものを切断するように教えたりすることがこれまでになかったので、実現可能かどうかさえわかりませんでした」とブルムは語りました。」

しかし、プロテアーゼはチームの期待を上回りました。

PACEを使用して、ボツリヌス毒素の3つのファミリーから4つのプロテアーゼを進化させました。

4つすべてで、元のターゲットでアクティビティが検出されず、新しいターゲットを高レベルの特異性（218倍から11,000,000倍以上）でカットしました。

プロテアーゼはまた、細胞に入る貴重な能力を保持していました。

ブルム氏は話します。

「理論的に、最終的には細胞内治療を行うための強力なツールになります。」

「理論的には」、この研究は新しい能力を備えた多くの新しいプロテアーゼを迅速に生成するための強力な基盤を提供しますが、そのようなプロテアーゼをヒトの治療に使用するには、はるかに多くの研究を行う必要があるためです。

他にも制限があります。

タンパク質は慢性疾患の治療として理想的ではありません。

時間の経過とともに、体の免疫系がそれらを異物として認識し、攻撃してそれを和らげるからです。

ボツリヌス毒素は細胞内のほとんどのタンパク質よりも長く持続しますが（数時間または数日の典型的なタンパク質ライフサイクルとは対照的に最大3か月）、チームの進化したタンパク質は寿命が短くなり、その効果が低下する可能性があります。

それでも、免疫系が異物を特定するのに時間がかかるので、プロテアーゼは一時的な治療に効果的である可能性があります。

そして、免疫反応を回避するために、チームはまた、人体が自分自身に似たタンパク質を攻撃する可能性が低いため、他のクラスの哺乳類プロテアーゼを進化させることを目指しています。

ボツリヌス毒素プロテアーゼに関する彼らの研究は非常に成功したことが証明されたので、チームはそれらもいじくり回し続けることを計画しています。

つまり、米国疾病対策センター（CDC）から必要な許可を得ているだけでなくボツリヌス毒素で動作しますが、プロテアーゼの潜在的な医療用途とターゲットに関する重要な視点を提供します。

ブルム氏は話します。

「私たちはまだシステムの限界を理解しようとしていますが、理想的な世界では、これらの毒素を使用して目的のタンパク質を理論的に切断することを考えることができます。」
彼らはただ次に進むべきタンパク質を選択する必要があります。