ライフサイエンス研究とその周辺に関する個人のブログです

変異TP53を標的とする二重特異性抗体によるがん治療

はじめに

変異TP53二重特異性抗体bispecific antibody)などと言われても、よくわからないですよね。今回取り上げるのは、比較的新しい組み換え抗体作成技術を利用し(二重特異性抗体です)、ヒトで頻度の高い遺伝子変異を生じたがん治療に応用を図る研究のお話です。むずかしい部分もあるのですが、この米国チームによる新しく画期的な研究成果を、なんとか上手く伝えられればと思います。

変異TP53

がん抑制遺伝子と呼ばれる遺伝子群があります。コードするタンパク質が細胞周期制御、DNA修復、転写制御などを介して細胞がん化を抑制するため、このように呼ばれるのです。もっとも有名ながん抑制遺伝子のひとつがTP53です。このタンパク産物である転写因子p53は細胞周期、DNA修復、アポトーシスに関わる多くの遺伝子発現を調節し、発がん抑制に働きます。TP53遺伝子異常はヒトのがんにおいて高い頻度で見られますが、遺伝子変異にともなってp53分子がもつ発がん抑制機能が失われることにより、「抑制の喪失」の結果として「発がんが亢進」するのです。リ・フラウメニ症候群といって、家系内で多彩ながんが多発する遺伝疾患の原因遺伝子であることも知られ、TP53はがん抑制遺伝子の中でも特別に「ゲノムの守護神」とも呼ばれるほどです。

遺伝子変異と機能異常の研究は進んだものの、変異p53分子を標的とする治療はそれほど進んでいません。今回の研究チームは、そういう治療戦略がそもそも難しいとしています。たとえば逆に、遺伝子変異によって分子機能が亢進することが発癌に関わる「癌遺伝子」があります。そのような分子の「機能の抑制を図る薬や技術」の開発は非常に進んでいます。これに対し、TP53のようにがん抑制遺伝子が変異により機能を喪失する場合、それら分子の「機能の再活性化を図る薬剤や技術」を開発することは極めて難しいのだとチームは書いています。暴走している分子を止めることよりも、働けなくなった分子が再び適切に働くのを促すほうが難しいこと、直感的にはわかりますよね。

これに加えて、p53タンパクが核内タンパクであることも、これを標的分子とする難しさに関与します。喪失機能を再活性させる戦略と別に、変異TP53を発現するがんを除去しようという治療戦略に立った場合にも、分子サイズの大きい抗体などは使用しにくいなどのハードルがあるのです。大きな分子を生きたがん細胞内、ましてや核内にまで効率よくデリバリーすることは難しいわけですから。

本研究ではこれらをふまえ、興味深い戦略をとりました。タンパク質の多くが寿命を終える際には、プロテアソームという構造体でペプチドに分解され、免疫細胞が認識しうる形で細胞膜上の組織適合性抗原(HLA)分子に提示されるのですが、このことを利用しました。つまりTP53変異がんでも、p53タンパクのペプチド断片、しかも変異部分を含んだ断片が細胞表面のHLA上に提示される可能性があるわけで、これを認識する抗体を用いれば、細胞外からのアプローチで変異TP53がんを標的にできるのではないかと考えたわけです。面白いですよね。

二重特異性抗体(bispecific antibody)

研究内容にはいる前に、二重特異性抗体(bispecific antibody)についても書いておきましょう。抗体はBリンパ球が分化して産生する物質で、抗原物質と特異的に結合します。代表的なIgG抗体()を例にとると、Y字型構造をとり、二股に別れた部分の先端に抗原結合部位をもっています。生体で作られる抗体は、抗原の作用を中和するだけでなく、抗原をもつ細菌が貪食されることを促進したり、補体系を活性化して抗原をもつ細菌の溶解を誘導したり、他の免疫細胞を活性化して標的細胞を障害するなど、さまざまな生体防御プロセスに関与します。

近年、遺伝子組み換え技術を駆使し、新しい人工タンパク質である二重特異性抗体(bispecific antibody)と呼ばれるものが作成できるようになりました。同一分子の中に、抗体がもつ抗原認識部位のような構造を2つ持たせることにより、単一分子が2つの違う抗原と特異的結合できるようにしたものです。たとえばこれを利用して、片方で標的としたい細胞抗原を認識させ他方でTリンパ球上のCD3を認識させれば、標的細胞とTリンパ球を架橋することができます(図)。この技術を用いると、普通の抗体が直接活性化できないTリンパ球を活性化させ、これまでにない形で標的細胞にダメージを与えることができるのです。がん細胞が発現する抗原を上記の一つの抗原認識対象とすれば、抗がん作用が期待されるというわけです。たとえばB細胞に発現するCD19分子とTリンパ球のCD3を認識し、B細胞系腫瘍を攻撃する二重特異性抗体が、実際すでに臨床利用されるに至っています。

TP53のR175H変異を標的とする二重特異性抗体の開発と効果

前置きが長くなりましたが、今回とりあげるのは、変異TP53を認識する二重特異性抗体でTリンパ球を活性化させる技術を提示した研究です。色々なタイプのがんで生じるTP53の変異の中でもよく見られる変異を選び、これを含むペプチドがHLA上に提示された構造を認識する二重特異性抗体を開発し、実際この抗体がin vitro、in vivoの両者において有効であるとのデータを示したのです。この興味深い研究は2021年3月5日、Science誌で公開されました。筆頭著者はEmily Han-Chung Hsiueさん、Katharine M. Wrightさん、Jacqueline Douglassさんの3人、責任著者はBert Vogelstein先生、Sandra B. Gabelli先生、Shibin Zhou先生の3人で米国ジョンズ・ホプキンス大学を中心としたチームによる研究です。

Targeting a neoantigen derived from a common TP53 mutation

Emily Han-Chung Hsiue, Katharine M. Wright, Jacqueline Douglass, Michael S. Hwang, Brian J. Mog, Alexander H. Pearlman, Suman Paul, Sarah R. DiNapoli, Maximilian F. Konig, Qing Wang, Annika Schaefer, Michelle S. Miller, Andrew D. Skora, P. Aitana Azurmendi, Michael B. Murphy, Qiang Liu, Evangeline Watson, Yana Li, Drew M. Pardoll, Chetan Bettegowda, Nickolas Papadopoulos, Kenneth W. Kinzler, Bert Vogelstein, Sandra B. Gabelli, Shibin Zhou

Science: 5 March 2021

研究チームはまず、TP53の変異の中でも多いもの、すなわち175番目のアルギニンがヒスチジンに置換した変異R175Hを含むペプチドを標的とすることとしました(01)。さらにまた、R175Hペプチドを提示しうるヒト組織適合性抗原(HLA)としても、頻度の高いアレルを選び、このペプチド-HLAの組み合わせで生じる複合体を抗原として認識する抗体作成を目指しました(02)。言い換えると、二重特異性抗体の一方の認識抗原として、R175H変異TP53ペプチドと特定のHLAとで構成される複合体を選んだというわけです。そして、一本鎖可変フラグメント(scFvs: single-chain variable fragments)と呼ばれ、抗原を認識可能なタンパク構造を数多くスクリーニングした結果、この戦略に合致して変異R175Hペプチド/HLA- A*02:01複合体を認識できる候補のscFvsを複数同定したのです(03)。

次にチームは、上記のscFvsコード配列を実際に組み込んだ二重特異性抗体を作成しました。もう片方の抗原認識部位には、Tリンパ球のCD3εを認識する構造を選び、一本鎖ダイアボディー(scDb: single-chain diabody)と呼ばれるタイプ(フォーマット)の二重特異性抗体を作ったのです(04)。具体的には23種の候補scFvを用いてscDbを作成し、その中から最終的にH2-scDbというクローンを有力候補として選び実験を進めたのです。

H2-scDbは期待通りの特性を示しました。すなわちH2-scDbは物理的に変異R175H/HLA-A*02:01複合体と結合し、またT細胞活性化を誘導しうることが明らかになりました(05)。しかも重要なことに、実際にR175H変異をもつTP53を発現し、かつHLA-A*02:01をもつがん細胞を、Tリンパ球と共培養し、そこへH2-scDbを加えると、Tリンパ球の活性化を介し標的細胞(変異R175H/HLA-A*02:01細胞)の障害が誘導できることも示されました06)。

詳しく書きませんが、このあとチームはH2-scDbの変異R175H/HLA-A*02:01複合体結合の結晶構造解析もおこない、H2-scDbがどのように複合体を結合するかの詳細も示しています。

さらに研究チームは、H2-scDbが動物個体内で抗がん作用を示すかどうかも調べました。このために、変異R175HとHLA-A*02:01の両者を発現するがん細胞の一種であるKMS26細胞を、ヒトTリンパ球とともに免疫不全マウスに移入し、全身にがん細胞が播種するモデルを作りました。そして、このモデルにおけるがん細胞移入の直後、あるいは6日経過後という異なるタイミングでH2-scDbを投与し、その治療効果を評価しました。その結果、どちらのタイミングで投与した場合でも、H2-scDbによって、全身での腫瘍細胞の広がりが有意に抑制できることが明瞭に示されたのです。

おわりに

整理しましょう。本研究ではTP53の変異R175HペプチドがHLA-A*02:01と形成した複合体を認識する二重特異性抗体を開発しました。そして実際この抗体がT細胞活性化を誘導し、複数の仕組みを通じて抗腫瘍効果を示すことを明らかにしたのです。

とても重要な研究だと思いました。もちろんTP53に変異をもつがんに限ったとしても、個々でのTP53変異は異なりますから、本研究で作成した二重特異性抗体(H2-scDb)がすべてに有効と言っているわけではありません。しかも、特定のHLA(HLA-A*02:01)とこれに提示されるペプチド複合体に対する抗体なので、すべてのヒトのがんに適応できるとしているわけでもありません。しかしながら、変異した核タンパク由来ペプチドが細胞表面に提示される機構が、がん治療標的として利用できることを示した本研究は、注目を集めることと思います。

研究チームは、ペプチド-HLA複合体の発現量は極めて少ないにもかかわらず、これをきちんと認識し、架橋したTリンパ球を活性化できる二重特異性抗体を作成できたことの意義は大きいと述べています。チームは低発現の抗原にも有効な抗体が樹立できた理由として、二重特異性抗体フォーマットの中で一本鎖ダイアボディー(scDb)を使ったことや、そもそものH2抗原認識部位(H2-scFv)の抗原親和性が高いこと、あるいはCD3との結合を通じたTリンパ球との親和性が高いことなどが関わるかもしれない、としています。いずれにしても、ペプチド-HLA複合体を目印としたがん細胞に対する免疫治療開発が可能であることを示した本研究の今後の展開に、継続して注目していきたいなぁと思います。

補足

01: 変異したp53タンパクのアミノ酸168番から176番までの9個が並ぶペプチド(HMTEVVRHC)を標的とすることとし、実験をおこなっています。ここでは最後から2つめのアミノ酸が、野生型のR(アルギニン)からH(ヒスチジン)に変異しています。

02: HLA-A*02:01を選んでいます。変異R175HペプチドがHLA-A*02:01と複合体を形成できることは複数の方法で示しています。

03: 一本鎖可変フラグメント(scFvs: single-chain variable fragments)といって、一定長のタンパクで、TCR-mimic antibodyとして機能する構造があります。この構造を通じて、HLAとこれが提示する抗原を認識可能となるのです。多彩な種類の抗原に対するscFvを見つけられるよう、膨大なバリエーションのscFVsをコードする遺伝子を準備してファージ遺伝子に組み込んだライブラリーがあり、本研究ではこれを用いました。すなわち、膨大な候補scFvsの中から、変異R175Hペプチド/HLA- A*02:01複合体を認識するものを選び出すためのスクリーニングをおこなったのです。

04: scFv配列は、DART (Dual Affinity Re-Targeting)やBiTes (bispecific T-cell engager)と呼ばれる分子形態(フォーマット)をもつ種々の二重特異性抗体フォーマットにも組み込むことができますが、本研究では一本鎖ダイアボディー(scDb: single-chain diabody)と呼ばれるフォーマットを利用したとしています。

05: H2-scDbによる野生型TP53ペプチド/HLA- A*02:01複合体の認識は極めて低く、したがってその結合は変異TP53特異的としています。

06: T細胞による標的細胞障害機構も、グランザイムBやパーフォリンのように直接標的細胞に働く顆粒物質の分泌や、インターフェロン、TNF-α、インターロイキン2といったサイトカインの分泌を介する機構など、多彩であるとしています。

最新情報をチェックしよう!