《自然》重磅：开天辟地！科学家首次从头设计合成抗癌蛋白，相比天然抗癌蛋白疗效更好，副作用消失殆尽丨科学大发现

“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。

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).

本文作者  |  孔劭凡

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