PNAS：绿藻中的抗癌药物

　　

生物通报道：加州大学圣迭戈分校的生物学家成功对绿藻进行了基因工程改造，使其能够大量生产一种复杂而昂贵的癌症治疗药物。这项研究开辟了低成本大量合成复杂蛋白药物的新途径，文章提前发表在美国国家科学院院刊PNAS杂志的网站上。

“这种抗癌药物的生产一般使用哺乳动物细胞，而我们能够在绿藻中生产完全一样的药物，这有望大大降低药价，”加州大学圣迭戈分校生物学教授Stephen Mayfield说。

人们甚至可以在绿藻中采用新的药物生产策略，合成其他系统无法合成的蛋白，用于治疗癌症或其他人类疾病。“我们不能在细菌中生产这类药物，因为细菌不能将蛋白折叠出如此复杂的三维结构，” Mayfield说。“也不能用哺乳动物细胞生产，因为毒素会杀死细胞。”

研究人员经过七年努力，发现在生物实验室广泛用作遗传学模式生物的绿藻Chlamydomonas reinhardtii能够生产多种人类药用蛋白，比细菌或哺乳细胞的产量更大成本更低。

五年前，研究人员完成了首个突破，在绿藻中生产了血清淀粉样蛋白。一年后，他们又用绿藻中生产了一种人类抗体蛋白。2010年，他们成功在绿藻中生产了复杂的药用蛋白，例如用于治疗肺气肿的血管内皮生长因子VEGF。今年五月，Mayfield的研究团队与人合作，用绿藻生产了更复杂的蛋白，一种能够预防疟疾的新型疫苗，疟疾是目前世界上最流行的疾病之一。

而在这项新研究中，科学家们利用绿藻生成了带有两个结构域的复杂三维蛋白，其中一个结构域有追踪并附着癌细胞的抗体，而另一个结构域含有杀死癌细胞的毒素。目前制药公司生产这种蛋白需要两个步骤，先在Chinese hamster或CHO细胞中生产抗体部分并将其纯化。随后用化学方式将抗体部分与细胞外的毒素相连，再纯化最终蛋白。

研究人员指出，他们的方法具有两大优势。其一，将抗体和毒素融合在一个基因中形成一种蛋白，因此只需纯化一次。其二，在绿藻而非CHO细胞中进行生产，大大降低了蛋白生产成本。

经验证，绿藻产的化合物与制药公司生产的化合物完全一样，能够在小鼠体内追踪癌细胞并抑制肿瘤发展。研究人员指出，之所以不能在哺乳动物CHO细胞中生产上述融合蛋白，是因为毒素会杀死细胞。但绿藻中该蛋白是在叶绿体合成的，其中的毒素被隔离起来不会杀死绿藻。叶绿体是绿藻和植物细胞用来进行光合作用的场所。如果叶绿体中的蛋白泄露出去，毒素就会杀死细胞，而事实是叶绿体中的数千蛋白拷贝无一泄漏。

“我们能否在绿藻中合成更多结构域的人工设计蛋白呢，我想是可以的。从某种程度上说，这种药物设计有点像装配电脑，将不同模块组合在一起以实现特定目标。我们可以用蛋白中的一个结构域靶标细胞，而其他结构域则负责特殊功能。”Mayfield说。

 

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

Production of unique immunotoxin cancer therapeutics in algal chloroplasts

The idea of targeted therapy, whereby drug or protein molecules are delivered to specific cells, is a compelling approach to treating disease. Immunotoxins are one such targeted therapeutic, consisting of an antibody domain for binding target cells and molecules of a toxin that inhibits the proliferation of the targeted cell. One major hurdle preventing these therapies from reaching the market has been the lack of a suitable production platform that allows the cost-effective production of these highly complex molecules. The chloroplast of the green alga Chlamydomonas reinhardtii has been shown to contain the machinery necessary to fold and assemble complex eukaryotic proteins. However, the translational apparatus of chloroplasts resembles that of a prokaryote, allowing them to accumulate eukaryotic toxins that otherwise would kill a eukaryotic host. Here we show expression and accumulation of monomeric and dimeric immunotoxin proteins in algal chloroplasts. These fusion proteins contain an antibody domain targeting CD22, a B-cell surface epitope, and the enzymatic domain of exotoxin A from Pseudomonas aeruginosa. We demonstrated that algal-produced immunotoxins accumulate as soluble and enzymatically active proteins that bind target B cells and efficiently kill them in vitro. We also show that treatment with either the mono- or dimeric immunotoxins significantly prolongs the survival of mice with implanted human B-cell tumors.