Nature Biotechnology：从癌细胞上“剪下”这种蛋白，让它无处可逃

被称为粘蛋白的糖衣蛋白与包括癌症在内的许多疾病有关。一个由斯坦福大学领导的研究小组已经对一种基于酶的剪刀进行了生物工程改造，这种剪刀可以选择性地从癌细胞上剪下粘蛋白，从而从人体免疫系统中移除它们的“保护层”。

　　

癌细胞可以通过利用一种通常有益的、无处不在的蛋白来逃避人体的免疫防御，这种蛋白被称为粘蛋白（mucins）。

现在，斯坦福大学的研究人员已经设计出一种生物分子，可以专门从癌细胞中去除粘蛋白，这一发现可能在未来的癌症治疗中发挥重要作用。

粘蛋白是一种糖衣蛋白，其主要功能是保护身体免受身体损伤和病原体的侵害。但是癌细胞可以利用黏液蛋白来帮助它们生存。将粘蛋白从癌细胞中切除是一种可行的治疗方法，但粘蛋白以各种形式存在于哺乳动物体内的每个细胞中，因此不加选择地靶向粘蛋白可能会产生不可预见的副作用。

由斯坦福大学领导的研究小组设计的解决方案本质上是一种基于酶的剪刀，由粘蛋白酶组成，一种蛋白质切割酶(称为蛋白酶)，专门切割粘蛋白，与癌细胞靶向纳米体(抗体片段)融合。这种由两部分组成的生物分子选择性地靶向和修剪与特定癌细胞相关的粘蛋白。

这项在实验室培养的人类癌细胞和模拟人类乳腺癌和肺癌的小鼠研究中进行的研究发现，生物分子治疗显著降低了肿瘤的生长，提高了生存率。他们的研究结果发表在8月3日的《自然生物技术》杂志上，具有广泛的应用价值，因为粘蛋白与许多疾病有关，包括囊性纤维化、呼吸系统疾病和病毒。

“我们发现，我们可以将这种粘酶靶向癌细胞，用它来去除癌细胞中的粘蛋白，这是一种治疗效果，”资深作者Carolyn Bertozzi说。

研究生Gabrielle  Tender是这项研究的共同主要作者，她和两位前Bertozzi实验室的研究人员——HHMI的Janelia研究校区的小组组长Kayvon Pedram和加州理工学院的博士后学者D. Judy Shon——共同撰写了这项研究。

当好的黏液变坏时

尽管癌细胞将粘蛋白用于邪恶的目的，但粘蛋白通常是好的。但是当粘蛋白变质时，就很糟糕了。

“粘蛋白在全身发挥着重要作用，比如在我们的肠道和肺部形成粘液，保护我们免受病原体的侵害，癌症将这一自然过程提高到11倍，劫持粘蛋白的功能来保护自己，并扩散到全身。”Tender说。

本研究探讨了与促进癌症进展相关的粘蛋白的两种功能。第一个帮助细胞在自由漂浮的“低黏附”环境中存活。

“癌症在体内转移和扩散——癌细胞脱落，漂浮到身体的另一部分，并扎根，”Bertozzi说。“癌细胞需要在低粘附环境中存活。大多数细胞不能，但被粘蛋白修饰过的细胞可以。”

第二个功能是与检查点受体结合，检查点受体本质上是检查体内细胞的免疫系统守卫犬。一些癌细胞用粘蛋白修饰它们的细胞表面，粘蛋白被特定的糖包裹，这些糖与这些受体结合得特别好。当这种糖修饰的粘蛋白与检查点受体结合时，它表明癌细胞不是威胁，并阻止身体的免疫反应。

“这会导致免疫细胞忽略癌症，而不是摧毁它，”Tender解释说。

成功了一半

研究人员的寻找黏液的生物分子由两部分融合在一起组成。第一部分是一种细菌衍生的粘酶，它可以裂解粘蛋白。第二部分是与癌细胞上相应抗原结合的癌症特异性纳米体。

Sarafan ChEM-H的贝克家族主任Bertozzi说，纳米体“将黏液酶固定在癌细胞上”。“这项技术是我们在Sarafan ChEM-H开展的基于邻近性药物的更大项目的一部分。”基于邻近性的药物将感兴趣的生物分子聚集到某个区域，以便在附近发生所需的化学反应。

Bertozzi的团队广泛研究了细菌蛋白酶裂解粘蛋白。这些“粘酶”在遇到粘蛋白中肽(氨基酸)和聚糖(糖)的特定排列时进行切割。在这项研究中，研究人员选择了一种叫做StcE的粘酶，它来自于大肠杆菌。

细菌酶已经被用于治疗癌症，比如儿童急性淋巴细胞白血病。然而，黏液酶还没有作为注射疗法进行测试。因此，研究小组需要验证StcE粘酶的作用和安全性。研究小组在小鼠身上测试了StcE粘酶，发现它有效，但它破坏了全身的粘蛋白，证实了需要将粘酶靶向肿瘤相关的粘蛋白。

Bertozzi的实验室和其他人之前的研究表明，将酶的抗体融合可以将它们的活性靶向到特定的细胞上。但这需要对酶进行设计，使其工作不那么好，所以它只在接近目标时进行切割。在StcE粘酶发生了许多突变之后，该团队创造了一个版本，称为eStcE，满足了他们的需求。

研究小组选择了一种被称为5F7的纳米体作为他们的生物分子，因为它被充分研究过，它对应于与乳腺癌、卵巢癌和其他癌症相关的抗原(称为HER2)。研究人员设计了两种不同方向的eStcE粘酶- her2纳米体组合，并测试了每种组合的产量、稳定性、粘酶活性和结合能力。表现最好的取向被称为αHER2-eStcE。

接下来，研究人员在实验室培养皿中测试了αHER2-eStcE生物分子，看看它是否选择性地杀死了目标癌细胞。然后，他们在两项不同的小鼠研究中证实了这种生物分子的作用和无毒。这些实验中的第一个模拟了转移性(扩散)肺癌，第二个模拟了位于小鼠乳房区域的人类乳腺癌。

这些研究表明αHER2-eStcE生物分子对肿瘤和转移细胞的粘蛋白均有效。在小鼠研究中，研究人员发现，与未治疗组小鼠相比，αHER2-eStcE治疗显著降低了癌症生长，提高了生存率。

未来的发展方向

那么，这项研究离人类癌症的新疗法还有多远呢?更近了，但还没到。

Bertozzi说:“下一步的主要工作是看看我们是否可以用一种来自人类的蛋白酶来制造一种类似的靶向黏液酶。”“这项研究中的病毒不是来自人类，所以它有更高的风险产生不必要的免疫反应。”

目前，Tender正致力于开发这种人源性黏液酶。

虽然还需要更多的研究，但这项研究代表了癌症研究向前迈出的一大步。

“我们从癌症患者和实验中得到了几十年的证据，证明粘蛋白在癌症中很重要，但我们以前没有那么多办法来摆脱这些粘蛋白，”Tender说。“我们终于找到了一种方法来降解癌细胞上的粘蛋白，这让我们受到了启发。”

文章标题

Design of a mucin-selective protease for targeted degradation of cancer-associated mucins