2019 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of the functional mechanisms associated with structural dynamics of antibodies by integration of cutting-edge measurement approaches
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19H01017
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| Research Institution | Nagoya City University |
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Principal Investigator |
加藤 晃一 名古屋市立大学, 大学院薬学研究科, 教授 (20211849)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
矢木 真穂 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 助教 (40608999)
谷中 冴子 分子科学研究所, 生命・錯体分子科学研究領域, 助教 (80722777)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 抗体 / 動的立体構造 / 相互作用 / Fc受容体 / 補体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は、免疫グロブリンG（IgG）のFc領域について、水中における全原子分子動力学（MD）シミュレーションを実施し、Ｘ線小角散乱と核磁気共鳴（NMR）の実験計測データと照らし合わせることにより、その結果を検証した。これにより、従来の結晶構造解析では得ることが困難であった、水溶液中におけるFcの動的な描像を得ることができた。特に、エフェクター機能の発現に重要な糖鎖の存在に着目してFcの動的構造アンサンブルを精査したところ、フコース残基の有無によってFcの局所構造ダイナミクスが変化し、Fcγ受容体（FcγR）との相互作用に影響を及ぼすことが示された。このことは、IgGの脱フコシル化によって、FcγRⅢaとの相互作用を介した細胞傷害活性の劇的な向上がもたらされる仕組みと関わっているものと考えられる。
実験的アプローチにおいては、全長IgG分子とFcγRの相互作用を質量分析による重水素交換実験を通じて探査した。また、FcγRが細胞膜上において機能していることを考慮して、C末端領域を通じて基板上に固定化されたFcγRを調製し、それらとIgGがダイナミックに相互作用する様子を高速原子間力顕微鏡（HS-AFM）を用いてリアルタイムで観察し、定量化することに成功した。その結果、IgG1のFab領域がFcγRⅢaとの相互作用に寄与していることが判明し、両者の新たな相互作用部位を見出すことができた。さらに、脂質膜上の抗原を認識したIgGがFc領域を介してリング状の6量体構造を自発形成して補体成分C1qと相互作用する様子をHS-AFMで可視化・定量化を行い、リング形成に関わる部位を絞りこみつつある。
一方、抗体が本来機能する場である血液中における分子間相互作用の実態解明に向けて、夾雑不均一環境におかれたIgGのNMR信号を選択的に観測するための安定同位体標識技術の開発に着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究成果は、既に３報の論文として国際誌に発表し、プレスリリースなども実施している。成果の一部は新聞報道され、インターネットを通じての海外のメディア配信も順調である。こうした研究の成果には産業界からも関心が持たれており、新たな共同研究へと展開されつつある。また、本研究を遂行する過程でFcとそれを認識する分子との複合体の立体構造が新規に決定されるなど、当初の計画を超えた実験データも得られた。以上に鑑みて、研究は当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
IgGのFc領域を対象に、その3次元構造ダイナミクスの解析を継続する。次年度は、Fc領域の4次構造ダイナミクスに糖鎖が及ぼす影響を精査するために、糖鎖非還元末端の構造が異なるFcについて、NMR法とMD計算を用いた動的構造解析に取り組む。NMR計測には糖鎖およびポリペプチド鎖に安定同位体標識を施したマウスおよびヒトのFc試料の調製を必要とする。そのため、真核生物発現系を利用した同位体標識技術と高磁場NMR計測技術の改良を行い、効率的な試料調製とスペクトル解析を実現する。このようしてFc領域全域にプローブを張り巡らせることで、NMRを用いた原子レベルでの動的構造解析の基盤を整える。
一方、抗体分子全体の巨視的構造情報を得るために、溶液散乱法とHS-AFMを利用した計測を引き続き行う。溶液散乱については、特にFc受容体と相互作用しているIgGの構造情報を得るために、重水素標識によるコントラストマッチングを活用した中性子小角散乱のデータを取得する。また、MDシミュレーションの対象を全長IgGに拡張する準備を進める。
上記のように、今年度の研究成果を通じて、膜上で抗原と特異的に結合したIgGがFc領域間の相互作用を介して自発的に6量体リング構造を形成すること、そしてIgGのFab領域の中にもFc受容体と相互作用する部位が存在することが明らかとなっている。次年度は高機能化抗体の創成に向けて、これらの新規相互作用を担う部位に改変を施して、HS-AFM等による性状評価を行う。抗体依存性細胞介在性細胞傷害活性を指標とした機能評価の準備も進める。
抗体の分子間相互作用をin situにおいてキャラクタライズするために、血清中におかれたヒトIgGのNMR信号の観測を行う。得られた成果に基づいて、抗体と血清成分の相互作用の実態解明を進める。
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[Book] 糖鎖生物学2020
Author(s)
北島 健、佐藤 ちひろ、門松 健治、加藤 晃一
Total Pages
306
Publisher
名古屋大学出版会
ISBN
978-4-8158-0981-2
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