导读:白介素12(IL-12)是一种“自然杀伤细胞刺激因子”,是抗癌药物开发的热门靶点。在前期文章中,菌菌分享了Modern与AstraZeneca共同合作开发的瘤内注射的IL-12 mRNA-LNP(MEDI1191)的序列设计和验证,详见【耀文解读】Moderna:IL-12 mRNA-LNP蛋白替代疗法序列设计与验证。MEDI1191已在首次临床1期试验中,证实了IL-12 mRNA-LNP的安全性和抗肿瘤活性。国内的几家mRNA公司也相继拿到了IL-12 mRNA-LNP的新药临床试验批件,例如,嘉晨西海,艾博生物等。
除LNP这一新型的非病毒递送载体外,质粒载体也是一种强大的递送工具,可以设计质粒在体内表达病毒抗原、单克隆抗体或替代蛋白。耀海生物重要战略合作伙伴诺思兰德生物开发的一款裸质粒药物NL003的上市申请已获NMPA受理。
早在IL-12 mRNA药物开发之前,有科学家开发了编码IL-12 的裸质粒注射液来进行肿瘤免疫治疗:p40 Subunit of Interleukin (IL)-12 Promotes Stabilization and Export of the p35 Subunit,研究者证明了在IL12p70表达过程中,p40亚基与p35亚基的相互作用,开发了一种共表达p40和p35的质粒表达载体,在小鼠体内可产生高水平的IL12。在小鼠 B16 黑色素瘤癌症模型中,单次注射优化的小鼠 IL-12 DNA 质粒可有效抑制肿瘤发展。该篇文章深度评估了IL-12 p35和p40亚基的相互作用,及其对IL-12表达水平的影响,为IL-12核酸药物的设计提供了理论基础。
01
IL-12的组成和生物学功能
IL-12 ,最初被描述为“自然杀伤细胞刺激因子”,是一种70–75kDa的异二聚体糖蛋白,由两个二硫键连接的亚基p35和p40组成。IL-12 主要由抗原呈递细胞产生,对自然杀伤细胞和 T 细胞发挥免疫调节作用。IL-12在Th1反应的启动和维持中起着关键作用,特别是在适应性细胞免疫的诱导中。由于其免疫调节和抗血管生成特性,IL-12作为有效的疫苗佐剂和抗癌治疗剂具有巨大的潜力。
鉴于IL-12在细胞免疫反应中的核心作用,控制其产生和调节的机制引起了人们的极大兴趣。尽管IL-12的两个亚基在同一细胞中的共表达对于形成具有生物活性的异二聚体至关重要,但每个亚基的产生都是独立调节的。p35 基因在各种细胞类型和组织中组成型表达,而p40的表达仅限于产生IL-12 的细胞。与p35 不同,p40亚基以单体和同型二聚体的形式分泌。虽然大多数研究都集中在IL-12p70表达的激活上,但对不同亚基之间的直接影响知之甚少。
02
p35和p40亚基对IL-12表达的相互影响
研究人员使用哺乳动物表达载体 pCMVkan表达 p35 和 p40 亚基。除了富含 AU 的 3′-UTR ,天然 p35 和 p40 编码序列的 AU 含量相对较低,约为 ∼50%,并且包含富含的 AU 片段,包括 AUUUA 或 AAUAA 元件,这些片段在编码序列中存在时与基因较低的表达水平相关。为提升IL-12p70表达效率,研究人员对人、猕猴或小鼠p35和p40的完整编码序列进行了密码子优化。
在HEK293细胞中,单独或者混合转染编码人p35和p40的质粒。当单独表达时,p35蛋白的稳定性远低于p40。大多数p35亚基在细胞内表达,而细胞外 p35 由于糖基化形式不同在胶图上迁移为弥散带。相比之下,在细胞外检测到中发现了更多的p40。当两个亚基在同一细胞中共表达时,p40 的存在导致总 p35 蛋白水平整体增加,并且使得分泌到细胞外的P35更多,这说明p40 既会影响p35的稳定性,还会影响p35的分选途径。
为确定用于生产人IL-12p70的p35和p40的最佳比例水平,采用不同比例的p35/p40质粒转染HEK293细胞。较高比例的 p40 质粒(p35/p40 质粒比例为 1:3)会导致 胞外分泌的IL-12p70 异二聚体水平增加。相反,增加转染 p35 质粒的量反而导致 IL-12p70 的产生略低,大量 p35 亚基滞留细胞内。这些数据表明p40亚基是稳态异二聚体IL-12p70的产生和分泌的驱动因子。
据报道,p40 同型二聚体可与IL-12受体结合,但其缺乏任何 IL-12的生物活性,并且这种p40 同型二聚体还会干扰 IL-12p70发挥功能。需要搞清楚采用p40 质粒共表达过量的p40 以获得最佳的 IL-12p70 合成时,是否会造成p40 同型二聚体的积累?分别在天然条件(不添加β-巯基乙醇和SDS),还原条件(同时添加β-巯基乙醇和SDS)及非还原条件(不添加β-巯基乙醇,只添加SDS)下电泳检测单独转染p40质粒和共转染p40/p35质粒的胞外样品中的p40存在形式。在还原条件下,两种类型的胞外样品中均可检测到p40亚基单体表达。在天然条件的在只转染p40质粒的细胞外样品电泳条件中可看到p40的单体和同源二聚体形式,更多的p40蛋白以同源二聚体形式存在。在天然条件下的共转染p40/p35质粒的胞外样品电泳中,p40的单体和同源二聚体形式均减少,p40/p35异源二聚体形式(p70)明显增多。在非还原条件下的电泳条带说明,在p35存在条件下,p40更加倾向于形成p40/p35异源二聚体形式。也就是说,在细胞中,即便p40质粒过表达,只要存在p35亚基的情况下,更加倾向于形成p40/p35异源二聚体而不是p40同源二聚体。
CHX脉冲追逐实验主要用于测定蛋白质的半衰期和降解速率。用 CHX 处理人源p35单独或者与p40质粒共转染染的 HEK293 细胞并监测长达 4 小时。单独表达时,p35亚基的半衰期为∼2小时。在p40存在下,p35的稳定性大大提高到>4小时。相比之下,p40亚基的半衰期为>4小时,并且它不受p35存在的影响。这说明p40与p35的相互作用,可使得p35变得更加稳定,这种相互作用也影响了p35在胞内的分选途径,使得成熟IL-12p70异二聚体的分泌增加。
此外,研究人员还使用小鼠p35和p40质粒转染HEK293细胞,得到于人源p35和p40质粒类似的结果,这说明p40 亚基对IL-12p70 产生的调控是一种保守的调控机制。
在荧光显微镜下,观察p35在细胞内的定位。p35-FLAG或者p40-FLAG质粒在细胞中单独表达时,在细胞质中呈现点状聚集体。未发现p35-FLAG或者p40-FLAG蛋白与内质网、早期内体及循环内体标记物共聚集,这说明p35-FLAG蛋白或者p40-FLAG蛋白不会积聚在内质网中。TGN46 是反式高尔基体标记物。当p35-FLAG或者p40-FLAG质粒单独表达时,少数 p35-FLAG (∼10%) 或者 p40-FLAG (∼14%) 与TGN46 共定位。p35-FLAG+p40或者 p40-FLAG+p35共表达会导致p35和p40显著定位至核周区域,这与高尔基体的定位相一致。当p35和p40共表达时,两者定位聚集于反式内质网,这表明p40除了促进p35稳定,还可以通过高尔基体蛋白分泌途径促进p35的胞内分选。
p35 亚基的糖基化对IL12细胞因子的组装和分泌至关重要,而 p40 亚基的分泌与糖基化状态无关。EndoH裂解天冬酰胺连接的富含甘露糖的低聚糖,但不能裂解通过高尔基体运输蛋白质期间获得的复合修饰糖,而 Endo F 可以裂解简单糖和复合糖。胞内 p35 对 Endo H 和 Endo F 的裂解敏感,而细胞外 p35 对 Endo H 具有抗性,但对 Endo F 敏感,表明 p35 在通过高尔基体向外分泌时获得复合糖基化。p40亚基没有经历复杂的糖基化,细胞相关和细胞外形式都可以用两种酶消化,表明缺乏复杂寡糖的修饰。有意思的是,当p35与p40共表达时,胞内出现了 p35 的Endo H 抗性的∼36 kDa 条带,可能代表蛋白分选中的 p35,它在通过高尔基体时获得了复杂的糖修饰,这是一个非常短暂的过程,因此不会在细胞内积聚此种形态的p35。p35在p40存在下高效分泌,并且不会胞内积累。再次证明p40可稳定p35,并促进其进入高尔基体,并且在高尔基体中完成复杂的糖修饰过程。
03
IL-12裸质粒药物的序列设计
研究人员希望用一个质粒上的两个不同的启动子分别启动p40和p35的表达,从而在体内高效合成IL12细胞因子。对质粒骨架、启动子类型及RNA序列进行优化,在HEK293细胞中瞬时表达,检测人源IL12表达水平,发现AG181(DP质粒骨架,密码子优化的编码序列,同时将 p40亚基置于更强的 huCMV 启动子的控制下)双启动子质粒系统的IL-12p70 产量是WLV-103M(WLV骨架,原始编码序列,将 p35亚基置于更强的 huCMV 启动子的控制下)的二十倍。在小鼠体内注射双启动子质粒,注射优化质粒AG181的小鼠血清中的人源IL-12p70明显高于注射野生型质粒WLV-103M的小鼠。
04
IL-12裸质粒药物的抗肿瘤疗效评估
在B16黑色素瘤小鼠模型中,注射低表达的野生型质粒WLV-105M(分为5ng和50ng两种剂量),小鼠血清中IL-12p70(分为5ng和50ng两种剂量)水平分别为 8.5 ng/ml 和47 ng/ml,而注射优化质粒AG250的小鼠血清中IL-12p70水平分别为47 ng/ml 和1,051 ng/ml 。而且,注射优化质粒AG250的小鼠肺部结节数量显着减少。IL-12p70 血浆水平与肿瘤结节数量之间存在显着的负相关,说明高水平的全身性 IL-12p70 对于防止肺部肿瘤转移至关重要。
05
总结
IL-12 是一种70 kDa 的异二聚体细胞因子,由 p35 和 p40 亚基组成。为了最大限度地提高质粒DNA表达的细胞因子产量,这项工作研究了p35 和 p40 亚基之间的相互作用对IL-12表达水平的影响。结果发现 p40 亚基在增强 p35 亚基的稳定性、细胞内运输和输出方面起着关键作用,并且,这种由 p40 亚基介导的翻译后调节在哺乳动物中是保守的。
基于这些发现,研究人员设计合成出一种双基因表达载体,使得p40 亚基与p35 亚基以最佳比例表达,从而产生高水平的IL-12 。在小鼠 B16 黑色素瘤癌症模型中,注射p35/p40双基因表达质粒载体,可有效控制肿瘤发展。
参考文献
[1] Jalah R, Rosati M, Ganneru B, Pilkington GR, Valentin A, Kulkarni V, Bergamaschi C, Chowdhury B, Zhang GM, Beach RK, Alicea C, Broderick KE, Sardesai NY, Pavlakis GN, Felber BK. The p40 subunit of interleukin (IL)-12 promotes stabilization and export of the p35 subunit: implications for improved IL-12 cytokine production. J Biol Chem. 2013 Mar 1;288(9):6763-76. doi: 10.1074/jbc.M112.436675.
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