開天闢地！科學家首次從頭設計合成抗癌蛋白，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，西雅圖華盛頓大學和斯坦福大學的Daniel-Adriano Silva、K. christopher Garcia和David Baker等科學家一起走出了這樣的一小步。他們首次實現了從頭設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。這種蛋白設計策略可以廣泛用於信號蛋白，將可創造出更多更好的候選藥物。

Neo-2/15與人類IL-2隻有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合CD25的能力。在結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。相關論文發表在Nature上[1]。

Neo-2/15與IL-2受體的β亞基和γ亞基結合

IL-2在免疫學史上可以說是十分重要，佔據了多個第一：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構的短鏈Ⅰ型細胞因子，還是第一個被發現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症免疫療法。在1984年11月，一位轉移性黑色素瘤患者開始接受大劑量IL-2治療，數月後，她全身的腫瘤都消失了[3]，之後的29年都沒有複發[4]。這也是第一次證明，單純依靠刺激T細胞，就有可能徹底治癒腫瘤。

不過在這次試驗中，IL-2也顯示出了很強的毒副作用。IL-2在體內誘發了廣泛的毛細血管滲漏綜合征，導致肺間質浸潤，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的結合激活了T細胞，產生IL-2的治療效果，而α亞基（也稱CD25）介導了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[6]。

在臨床試驗中，IL-2長效製劑NKTR-214與nivolumab聯合使用，也出現了降低nivolumab響應率的現象[7]。

為此，許多科學家試圖改造IL-2的結構，讓它只能和β亞基、γ亞基結合，而不與α亞基結合[6]。

要改造一個蛋白，通常的做法是從天然的蛋白出發，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本身就不是很穩定，突變體通常還會更不穩定。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和它的受體結合形成的複合物的結構，仔細分析了IL-2與IL-2受體α、β和γ亞基間的相互作用。

利用這些數據，研究人員使用他們自己開發的蛋白設計軟體Rosetta，設計出了40種只與β亞基和γ亞基作用，而不結合α亞基的IL-2類似物。從中挑選出了22種進行合成測試，並對它們的結構進行微調，以進一步增強其穩定性和效果。

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

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隻有14%的氨基酸相同，與小鼠的也只有24%的氨基酸相同。

穩定性上，Neo-2/15在80℃孵育2小時後，仍能和人類IL-2受體的β、γ亞基結合。即使在95℃孵育1小時後，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隻（共10隻）黑色素瘤模型小鼠沒長出腫瘤。

結腸癌模型小鼠中，Neo-2/15（紅）相比IL-2（灰）和不治療（黑），更好的抑制腫瘤生長（左），

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，才能產生相應多克隆抗體，而且這些抗體與內源性的IL-2沒有交叉反應，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，但由於天然的蛋白質往往不太穩定，很難做到這一點，」論文的第一作者Silva說，「Neo-2/15非常小，非常穩定。因為我們從頭開始設計它，我們了解它的所有部分，我們可以繼續改進它，使它更加穩定，活性更強。」

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

目前，華盛頓大學已授權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，終於實現了根據自己的需要，完全人工設計的全新功能蛋白質。這也讓我們離「上帝」更近了一步。

編輯神叨叨

從頭設計蛋白，功能和天然蛋白相似，序列卻只有14%相同。看來DNA→RNA→蛋白質→功能的這條路至少已經部分打通了。祝David Baker早日拿到諾獎！

參考文獻：

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).

本文作者 | 孔劭凡

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