MITとハーバード大学の研究者が新しいタンパク質送達方法を開発。がん治療への応用可能性を報告。

ブロード研究所メンバーでマクガバン研究所研究員のフェン・チャン博士 (写真)率いる研究チームは、昆虫細胞に自然に結合してタンパク質ペイロードを注入する、細菌が作り出す小さなシリンジ状の注入構造を利用した。研究チームは、人工知能ツールAlphaFoldを使用して、この注射器構造を設計し、ヒト細胞およびマウス細胞の両方にさまざまな有用なタンパク質を送達した。

本研究の筆頭著者であり、チャン博士の研究室の大学院生であるジョセフ・クライツ氏は、「これは、タンパク質工学が自然システムの生物活性を変化させることができるという本当に美しい例だ。私は、タンパク質工学が生物工学や新しい治療システムの開発において有用なツールであることを立証している。」と述べている。

「治療用分子の送達は、医療にとって大きなボトルネックであり、これらの強力な新治療法を体内の正しい細胞に届けるためには、より多くの選択肢が必要だ。自然界がどのようにタンパク質を輸送しているかを学ぶことで、このギャップに対処できる新しいプラットフォームを開発することができた。」とチャン博士は付け加えた。

チャン博士は、この研究の上級著者であり、MITのJames and Patricia Poitras神経科学教授、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究員でもある。チャン博士は、オプトジェネティクスとCRISPR技術の開発における中心的な役割で最もよく知られている。

収縮による射出

共生細菌は、長さ約100ナノメートルの注射器のような装置を使って、宿主細胞にタンパク質を注入し、周囲の生物学を調整し、生存率を高めるのに役立っている。細胞外収縮注入システム（eCIS）と呼ばれるこの装置は、鞘の中に硬いチューブがあり、このチューブが収縮することでチューブの先端にあるスパイクが細胞膜を貫通して駆動する。これにより、チューブ内のタンパク質が細胞内に入り込む。

eCISの一端の外側には、細胞表面の特定のレセプターを認識し、引っ付く尾部繊維がある。これまでの研究で、eCISは昆虫やマウスの細胞を自然に標的にできることが分かっている。しかし、クライツ氏は、尾部繊維を異なる受容体に結合するように改良することで、ヒト細胞にタンパク質を送達できるようにできるかもしれないと考えた。

研究チームは、アミノ酸配列からタンパク質の構造を予測するAlphaFoldを用いて、フォトラブダス菌が作り出すeCISの尾部繊維をヒト細胞に結合するように設計し直した。さらに、eCISの別の部分に細工を施すことで、注射器に任意のタンパク質を投与するように仕向け、場合によっては極めて高い効率で投与ができた。

研究チームは、EGF受容体を発現するがん細胞を標的としたeCISを作製し、ほぼ100％の細胞を死滅させたが、受容体を持たない細胞には影響がないことを示した。効率は、システムが標的とする受容体に依存する部分もあるが、クライツ氏は、今回の発見は、思慮深いエンジニアリングによって、このシステムが有望であることを示すものであると言う。

さらに、eCISを使って生きたマウスの脳にタンパク質を送り込んだところ、検出可能な免疫反応が起こらなかったことから、eCISを使って人間の遺伝子治療を安全に行える日が来ることが示唆された。

パッケージングプロテイン

クライツ氏によると、eCISシステムは汎用性が高く、研究チームはすでに、DNAに1文字の変化を与えるベースエディター・タンパク質、がん細胞に毒性を持つタンパク質、多くの遺伝子編集システムで使われている大型DNA切断酵素Cas9などのさまざまなカーゴを送達するのに使用している。

将来的には、eCISシステムの他のコンポーネントを改良して、他の特性を調整したり、DNAやRNAなど他の物質を輸送したりすることも可能だとクライツ氏は述べている。また、自然界に存在するこのようなシステムの機能をより深く理解することも考えている。

「我々や他の研究者は、このタイプのシステムが、生物圏全体で信じられないほど多様であることを示したが、それらは、あまりよく特徴付けられていなかった。このタイプのシステムは、生物学において、まだ解明されていない本当に重要な役割を担っていると考えている。」と、クライツ氏は述べている。

この記事は、MIT・ハーバード大学ブロード研究所のサイエンスライターであるアレッサンドラ・ディコラート氏が執筆したニュースリリースをもとに作成した。

[News release] [Nature article]