Systematic mutational analysis of a relationship between a protein's immunogenicity and aggregation tendency using Solubility Conttroling Peptide (SCP) tags

• Project/Area Number: 18H02385
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43020:Structural biochemistry-related
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: Kuroda Yutaka 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10312240)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2019: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2018: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
• Keywords: 生物物理 / 免疫応答解析 / バイオテクノロジー / 免疫原性 / ウイルスタンパク質 / コロナ / 溶解性制御タグ / 免疫増強 / タンパク質 / 会合性の制御 / バイオインフォマティクス / デング

Outline of Final Research Achievements

We developed a technology to control protein aggregation by adding a short solubility-controlling peptide tag (SCP tag) to the termini of two model proteins, BPTI and ED3, using recombinant DNA technology. We found that an SCP tag consisting of 5 Ile not only oligomerized the proteins into soluble aggregates but also increased immunogenicity by more than 200-fold compared to that of the wild type.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

凝集はタンパク質やペプチドの免疫原性に大きく影響を及ぼす因子であると従来から考えられてきた。しかし、タンパク質が形成する可溶性会合体の大きさや物性を適切に制御することが出来なかったため、凝集と免疫原性の関係を生化学的・物理化学的実験で検証することはなかった。本研究の学術的意義は、わずか5個のIleから成るSCPタグを付加することでモデルタンパク質の溶解性・凝集性を制御し、SCPタグによって会合させたタンパク質の免疫原性が飛躍的に向上するということである。社会的意義は、SCPタグがタンパク質を抗原とするサブユニットワクチンの可能性を大きく促進させた点である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チッタゴン大学・理学部(バングラデシュ)
• [Int'l Joint Research] グラナダ大学・理学部(スペイン)
• [Int'l Joint Research] モンペリエ大学・構造生化学研究センター(フランス)
• [Int'l Joint Research] チッタゴン大学・理学部(バングラデシュ)
• [Int'l Joint Research] モンペリエ大学・構造生化学研究センター(フランス)
• [Int'l Joint Research] チッタゴン大学・理学部(バングラデシュ)
• [Int'l Joint Research] モンペリエ大学・構造生化学研究センター(フランス)
• [Journal Article] Stochastic modelling of the effects of human-mobility restriction and viral infection characteristics on the spread of COVID-19 (2021)
  • Author(s): Ando Shiho、Matsuzawa Yuki、Tsurui Hiromichi、Mizutani Tetsuya、Hall Damien、Kuroda Yutaka
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11(1) Pages: 6856-6856
  • DOI: 10.1038/s41598-021-86027-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Solution structure of Gaussia Luciferase with five disulfide bonds and identification of a putative coelenterazine binding cavity by heteronuclear NMR. (2020)
  • Author(s): N. Wu, N. Kobayashi, K. Tsuda, S. Unzai, T. Saotome, Y. Kuroda and T. Yamazaki.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 20069-20069
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76486-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A systematic mutational analysis identifies a 5‐residue proline tag that enhances the in vivo immunogenicity of a non‐immunogenic model protein (2020)
  • Author(s): Rahman Nafsoon、Islam Mohammad Monirul、Kibria Md. Golam、Unzai Satoru、Kuroda Yutaka
  • Journal Title: FEBS Open Bio Volume: 10(10) Pages: 1947-1956
  • DOI: 10.1002/2211-5463.12941
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The immunogenicity of an anti-EGFR single domain antibody (VHH) is enhanced by misfolded amorphous aggregation but not by heat-induced aggregation (2020)
  • Author(s): Kibria Md. Golam、Akazawa-Ogawa Yoko、Rahman Nafsoon、Hagihara Yoshihisa、Kuroda Yutaka
  • Journal Title: European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics Volume: 152 Pages: 164-174
  • DOI: 10.1016/j.ejpb.2020.05.006
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nanometer-Sized Aggregates Generated Using Short Solubility Controlling Peptide Tags Do Increase the In Vivo Immunogenicity of a Nonimmunogenic Protein (2020)
  • Author(s): Rahman Nafsoon、Islam Mohammad Monirul、Unzai Satoru、Miura Shiho、Kuroda Yutaka
  • Journal Title: Molecular Pharmaceutics Volume: 17(5) Pages: 1629-1637
  • DOI: 10.1021/acs.molpharmaceut.0c00071
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thermodynamic Analysis of Point Mutations Inhibiting High-Temperature Reversible Oligomerization of PDZ3 (2020)
  • Author(s): Saotome Tomonori、Mezaki Taichi、Brindha Subbaian、Unzai Satoru、Martinez Jose C.、Kidokoro Shun-ichi、Kuroda Yutaka
  • Journal Title: Biophysical Journal Volume: 119(7) Pages: 1391-1401
  • DOI: 10.1016/j.bpj.2020.08.023
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reversible oligomerization and reverse hydrophobic effect induced by isoleucine tags attached at the C-terminus of a simplified BPTI variant (2020)
  • Author(s): Shigeyoshi Nakamura, MD. Golam Kibria, Satoru Unzai, Yutaka Kuroda, Shun-ichi Kidokoro
  • Journal Title: Biochemistry Volume: 59 Pages: 3660-3668
  • DOI: 10.1021/acs.biochem.0c00436
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Anti-Dengue ED3 Long-Term Immune Response With T-Cell Memory Generated Using Solubility Controlling Peptide Tags (2020)
  • Author(s): Islam Mohammad M.、Miura Shiho、Hasan Mohammad N.、Rahman Nafsoon、Kuroda Yutaka
  • Journal Title: Frontiers in Immunology Volume: 11 Pages: 333-333
  • DOI: 10.3389/fimmu.2020.00333
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] How A Novel Scientific Concept Was Coined the “Molten Globule State” (2020)
  • Author(s): Kuroda Yutaka、Endo Shigeru、Nakamura Haruki
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 10 Pages: 269-269
  • DOI: 10.3390/biom10020269
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A novel caged Cookson‐type reagent toward a practical vitamin D derivatization method for mass spectrometric analyses (2020)
  • Author(s): Seki Masahiko、Sato Makoto、Takiwaki Masaki、Takahashi Koji、Kikutani Yoshikuni、Satoh Mamoru、Nomura Fumio、Kuroda Yutaka、Fukuzawa Seketsu
  • Journal Title: Rapid Commun Mass Spectrom Volume: 34
  • DOI: 10.1002/rcm.8648
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Folding of the Ig-like domain of the envelope protein from dengue virus analyzed by high hydrostatic pressure NMR at a residue-level resolution (2019)
  • Author(s): Saotome Tomonori, Doret Maxime, Kulkarni R Manjiri, Yang Yin-Shan, Barthe Philippe, Kuroda Yutaka, Roumestand Christian
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 9（8） Pages: 309-309
  • DOI: 10.3390/biom9080309
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Misfolding of a Single Disulfide Bonded Globular Protein into a Low-Solubility Species Conformationally and Biophysically Distinct from the Native One (2019)
  • Author(s): Saotome Tomonori、Yamazaki Toshio、Kuroda Yutaka
  • Journal Title: Biomolecules Volume: 9（6） Pages: 250-250
  • DOI: 10.3390/biom9060250
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hydrophobic surface residues can stabilize a protein through improved water?protein interactions (2019)
  • Author(s): Islam Mohammad M.、Kobayashi Kei、Kidokoro Shun‐Ichi、Kuroda Yutaka
  • Journal Title: The FEBS Journal Volume: 286（20） Pages: 4122-4134
  • DOI: 10.1111/febs.14941
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Large-scale all-atom molecular dynamics alanine-scanning of IAPP octapeptides provides insights into the molecular determinants of amyloidogenicity (2019)
  • Author(s): Tambi Richa、Morimoto Gentaro、Kosuda Satoshi、Taiji Makoto、Kuroda Yutaka
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9(1) Pages: 2530-2530
  • DOI: 10.1038/s41598-018-38401-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design and assessment of an active anti-epidermal growth factor receptor (EGFR) single chain variable fragment (ScFv) with improved solubility (2019)
  • Author(s): Nautiyal Kalpana、Kibria Md Golam、Akazawa-Ogawa Yoko、Hagihara Yoshihisa、Kuroda Yutaka
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 508(4) Pages: 1043-1049
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2018.11.170
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ラテックス凝集法を用いた抗デング3 型ウイルス由来エンベロープタンパク質第3 ドメイン抗体の検出 (2020)
  • Author(s): 井上 絢惠、福谷 星、黒田 裕
  • Organizer: 第10回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] PSD95-PDZ3 の熱変性過程で可逆的に形成された高温での可逆的なオリゴマーのリバースエンジニアリング (2020)
  • Author(s): Onchaiya Sawaros、早乙女 友規、城所 俊一、黒田 裕
  • Organizer: 第10回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] デング熱ウィルスED3における高頻出アミノ酸変異箇所の効率的な予測手法の開発 (2020)
  • Author(s): Xian Jingwen、黒谷 篤之、黒田 裕
  • Organizer: 第10回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] 格子モデルを用いたCOVID-19等伝染性ウイルスの感染拡大シミュレーション (2020)
  • Author(s): 安東 紫帆、松沢 佑紀、黒田 裕
  • Organizer: 第10回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] 新型コロナウイルスの変異体予測モデルの開発 (2020)
  • Author(s): Cheng ZhiRui、黒谷篤之、黒田裕
  • Organizer: 第10回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] デング・エンベロープ蛋白質第3ドメインのミスフォールディングと凝集 (2020)
  • Author(s): 黒田 裕 、早乙女 友規
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 溶解性制御タグ（SCPタグ）を用いたタンパク質凝集体の形成速度の解析及びその制御法の開発 (2020)
  • Author(s): Onchaiya Sawaros、Velmurugan Punitha、黒田裕
  • Organizer: 第9回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] Pictet-Spengler 反応を用いた抗EGFR-VHHのN末端特異的蛍光標識 (2020)
  • Author(s): 福谷 星、福沢 世傑、黒田 裕
  • Organizer: 第9回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] 静電相互作用により会合したデングED3タンパク質凝集体の物性と免疫原性の評価 (2020)
  • Author(s): 大川 真実、Rahman Nafsoon、三浦 史帆、黒田 裕
  • Organizer: 第9回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] Biophysical analysis of protein solubility and aggregation (2019)
  • Author(s): Kuroda Yutaka
  • Organizer: International Powder and Nanotechnology Forum(IPNF) 2019
  • Invited
• [Presentation] Investigation on the relationship between cytotoxicity and amorphous oligomers (2019)
  • Author(s): Velmurugan Punitha, Aklima Jannatul, Ohta Yoshihiro, Kuroda Yutaka
  • Organizer: 第5回国立精神神経医療センター・東京農工大学合同シンポジウム
• [Presentation] Biophysical studies of protein misfolding, solubility,and aggregation (2019)
  • Author(s): Yutaka Kuroda, Tomonori Saotome
  • Organizer: The 19th KIAS（Korea Institute for Advanced Study） Conference on Protein Structure and Function
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Investigation on the relationship between cytotoxicity and amorphous oligomers (2019)
  • Author(s): Velmurugan Punitha, Aklima Jannatul, Ohta Yoshihiro, Kuroda Yutaka
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
• [Presentation] Nanometer scale sub-visible aggregates can enhance a protein's immunogenicity (2019)
  • Author(s): Rahman Nafsoon, Islam M Mohammad, Unzai Satoru, Kuroda Yutaka
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Biophysical and immunological study of natively folded and low soluble precipitate species of anti-EGFR single domain antibody (VHH) (2019)
  • Author(s): Kibria Md Golam, Akazawa-Ogawab Yoko, Hagihara Yoshihisa, Kuroda Yutaka
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 深層学習によるドメインリンカー予測の改良 (2019)
  • Author(s): 松沢 佑紀、黒田 裕
  • Organizer: 第19回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Biophysical studies of a protein’s amorphous aggregation and its effect on immune response (2019)
  • Author(s): Kuroda Yutaka
  • Organizer: BSBMB (Bangladesh Society for Biochemistry and Molecular Biology) Conference 2019 “Life Sciences in Achieving Sustainable Development Goals”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 液液相分離の粗粒化モデル作成 (2019)
  • Author(s): 小原 真、河村 直樹、黒田 裕
  • Organizer: 第8回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] DEN4ED3におけるプロ配列（pro region）付加によるジスルフィド結合の形成に関する解析 (2019)
  • Author(s): 山本 裕子、早乙女 友規、黒田 裕
  • Organizer: 第8回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] BPTIをモデルタンパク質に用いた疎水性ペプチドタグの付加によるアモルファス会合体の細胞毒性 (2019)
  • Author(s): 前田 華子、Velmurugan Punitha, Aklima Jannatul, 太田 善浩、黒田 裕
  • Organizer: 第8回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] 疎水性の短いペプチドタグを付加したデングウイルス由来エンベロープタンパク質第3ドメインの免疫原性及び物性の解析 (2019)
  • Author(s): 塩飽 祐佳里、三浦 史帆、黒田 裕
  • Organizer: 第8回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] SCPタグを付加したBPTIの溶解傾向性におけるアミノ酸の寄与の探究 (2019)
  • Author(s): 髙木 開生、黒田 裕
  • Organizer: 第8回日本生物物理学会関東支部会
• [Presentation] Nanometer scale sub-visible aggregates can enhance a protein’s immunogenicity (2018)
  • Author(s): Rahman Nafsoon, Islam M Mohammad, Kuroda Yutaka
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 短いペプチドタグを付加したデングウイルス由来エンベロープタンパク質第3ドメインにおける会合状態および免疫原性の評価 (2018)
  • Author(s): 三浦 史帆、Islam M Mohammad、黒田 裕
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Design and development of a soludle single-chain variable fragment (ScFc biological activity) (2018)
  • Author(s): Kibria Md Golam, Nautiyal Kalpana, Akazawa-Ogawa Yoko, Hagihara Yoshihisa, Kuroda Yutaka
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 深層学習を用いたドメインリンカー予測 (2018)
  • Author(s): 松沢 佑紀、河村 直樹、黒田 裕
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 格子モデルを用いたタンパク質凝集のシミュレーション (2018)
  • Author(s): 小原 真、河村 直樹、黒田 裕
  • Organizer: 第41回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 生物情報科学的手法を用いた蛋白質の構造・物性解析とその実験的検証 (2018)
  • Author(s): 黒田 裕 (座長：渡辺元)
  • Organizer: 第161回日本獣医学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質立体構造解析のフロンティア (2018)
  • Author(s): 黒田 裕(オーガナイザー：城所 俊一)
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質・ペプチドの凝集と膜のないオルガネラ (2018)
  • Author(s): 黒田 裕(オーガナイザー：永井 義隆)
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] 蛋白質のアモルファス凝集の生物物理学的研究 (2018)
  • Author(s): 黒田 裕
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Presentation] K4型デングウイルス由来エンベロープ第3ドメインの封入体の巻き戻しから生じる構造の異なる二種類のコンホマーに関する考察 (2018)
  • Author(s): 早乙女 友規、山崎 俊夫、黒田 裕
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] 短いペプチドタグを付加したデングウイルス由来エンベロープ蛋白質ドメイン3における会合状態および免疫原性の評価 (2018)
  • Author(s): 三浦 史帆、Islam M Mohammad、黒田 裕
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Enhancing Solubility of Anti-EGFR Single chain Antibody Fragment (ScFV) via Solubility Enhancing Peptides (SEP) Tags (2018)
  • Author(s): Nautiyal Kalpana, Kibria Md.Golam, Akazawa-Ogawa Yoko, Hagihara Yoshihisa, Kuroda Yutaka
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [Presentation] Biophysical characterization of an insoluble species formed by a chemically intact single disulfide bonded BPTI (2018)
  • Author(s): Velmurugan Punitha, Kuroda Yutaka
  • Organizer: 第18回日本蛋白質科学会年会
• [Book] 化学工業「タンパク質表面電荷が溶解性に及ぼす影響の格子モデル解析」 (2019)
  • Author(s): 小原 真、黒田 裕
  • Publisher: 化学工業社
• [Book] タンパク質のアモルファス凝集と溶解性―基礎研究からバイオ産業・創薬研究への応用まで― (2019)
  • Author(s): 黒田 裕、有坂 文雄（監修）
  • Total Pages: 283
  • Publisher: シーエムシー出版
  • ISBN: 9784781313979
• [Remarks] ～ロックダウンによるコロナウイルス感染拡大抑制効果の相対的な予測に向けて～
  • URL: https://www.tuat.ac.jp/outline/disclosure/pressrelease/2020/20200818_01.html