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ADCC 작용 기능을 향상시킨 비대칭 항체 엔지니어링

  • AD 최고관리자
  • 조회 2780
  • 2013.12.18 15:03

Fc:FcγRIII 복합체의 결정 구조는 항체의 Fc 가 FcgRIII에 비대칭적으로 부착되는 것을 보여주고 있다. 미국 암젠사 (Amgen Inc.)의 웨이 얀 (Wei Yan) 박사 연구팀은 ADCC 기능을 향상시키는 새로운 Fc 의 이형이합체 (heterodimers)를 동정해 냈다. 비대칭적인 Fc 엔지니어링은 ADCC 기능과 엔지니어된 항체들의 안정성을 향상시키기 위한 효과적인 접근법이다. 이러한 결과는 암과 감염성 질환들을 개선시키기 위한 치료 항체를 개발하는데 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

항체 의존 세포 독성 (Antibody Dependent Cellular Cytotoxicity, ADCC)은 종양이나 바이러스 항원에 항체가 부착되면 Fc 감마 수용체들 (Fc gamma receptors (FcgRs)을 발현하는 면역세포들에 의해 매개된다. Fc와 결합된 FcgRIII 의 결정 구조는 Fc 가 서로 다른 잔기들을 활용하여 FcgRIII 의 서로 다른 부위와 접촉하여 두 Fc 체인이 FcgRIII에 비대칭적으로 부착된다는 것으로 보여주었다. 이러한 Fc:FcgR 상호작용의 비대칭적인 특성을 조사하기 위해 연구팀은 고속 대량처리 시스템인 경쟁 AlphaLISA?? 에세이를 이용하여 서로 다른 돌연변이를 두 Fc 체인의 동일한 포지션에 도입하여 Fc 이형이합체 포맷을 통해 9,000개가 넘는 서로 다른 크론을 스크린했다. 이러한 목적을 위해 연구팀은 FcgRIIIA에 높은 친화성을 갖은 새로운 Fc 변이체 (F158 와 V158 동종이인자형)를 동정하여 시험관에서 ADCC의 기능을 향상시키고 생쥐를 이용한 인간 종양의 이종이식 모델에서 종양 성장을 현저하게 억제했다. 전통적인 IgG 포맷에서 이전에 동정된 Fc 변형체들과 비교해 볼 때 비대칭적인 돌연변이들과의 Fc 이형이합체들은 ADCC 매개 종양 사멸에서 유사하거나 휠씬 강력했고 CH2 도메인에서 그 안정성이 향상되었다. 또한 Fc 이형이합체는 억제 FcgRIIB 보다는 활성화 FcgRIIA에 선택적으로 부착되었다. Fc의 변형체의 푸코스 제거는 FcgRIIIA에 대한 Fc 친화성을 증가시켜 더 높은 ADCC 작용을 유도했다. 이러한 Fc 변형체의 발견은 암과 감염성 질환들을 치료하기 위해 향상된 ADCC 작용 기능을 갖고 있는 차세대 치료 항체를 개발할 수 있는 새로운 기회를 제시하고 있다.

단일 항체는 암, 염증성 질환들과 감염성 질환들을 개선하기 위한 치료약물로 그 중요성이 증대되고 있다. 특정한 목표물에 대한 부착 능력, 특정 생화학적인 경로들의 차단과 활성화 이외에 항체는 면역 시스템에서 Fc 수용체를 통해 작용 세포들의 활성화를 유도한다. IgG에 대한 Fc 수용체들(FcgRs)로는 활성화 FcgR과 억제 FcgR 두 종류가 있다. 활성화 FcgR의 관여는 항체 의존 세포성 독성 (antibody dependent cellular cytotoxicity, ADCC) 과 항체 의존 세포-매개 대식 작용 (antibody dependent cell-mediated phagocytosis, ADCP)과 같은 다양한 항체 작용 기능들을 유도한다.

보고되고 있는 임상 결과들은 친화성이 높은 FcgR 대립유전자와 치료항체의 임상적 반응이 연관성을 갖고 있음을 보여주고 있다. 높은 FcgRIIIA V158 대립유전자를 갖고 있는 환자들은 높은 반응 속도를 보였고 비호치킨스 림프종 (non-Hodgkin’s lymphoma, NHL)에 대한 항-CD20 리툭시맵 (Rituximab) 치료와 전이성 유방암에 대한 항-Her2 트라우츠맵 (Trastuzumab) 치료에서 향상된 생존율이 관찰된다고 보고된 바 있다. 또 다른 연구는 높은 친화성 대립유전자인 FcgRIIIA 158 V/V와 FcgRIIA 131 H/H를 갖고 있는 환자들이 리툭시맵으로 치료받은 낭성 림프종에서 이 유전자형을 갖고 있지 않은 환자들에 비해 뛰어난 반응과 더 장기적인 치료 효과가 있다고 보고했다. 억제 수용체인 FcgRIIB가 제거된 생쥐를 이용한 실험은 항-종양 항체들의 작용을 현저히 증가시켰다. 이러한 결과는 FcgRIIIA나 FcgRIIA에 대해서는 증가된 부착력을 갖고 FcgRIIB 에 대해서는 감소된 부착력을 갖는 IgG 아형이 생체 내 작용을 크게 증가시킬 것으로 가정하게 했다.

차세대 항-암 치료제들을 개선하는 중요한 전략들 중 하나는 FcgRIIIA에 대한 부착력을 증가시켜 향상된 작용 기능을 갖는 항체들을 개발하는 것이다. 이러한 전략은 두 가지 일반적인 접근법을 통해 이루어지고 있다. Fc 의 N297에서 N-N-결합 글라칸(glycan)에 연결된 푸코스(fucose)는 FcgRIIIA와 Fc의 상호작용을 구조적으로 방해하기 때문에 당-엔지니어링을 통해 푸코스를 제거하면 FcgRIIIA에 대한 부착력을 증가시켜 IgG1 컨트롤에 비해 ADCC 기능을 50배 이상 높일 수 있다. IgG1 의 Fc 부위에서 아미노산 돌연변이를 통해 단백질을 엔지니어링하면 FcgRIIIA에 대한 Fc의 친화성이 증가된 다양한 변형체들을 생산할 수 있다. 분명히 3개의 알라닌 돌연변이 S298A/E333A/K334A는 FcgRIIIA에 대한 친화성과 ADCC 기능을 2 배 정도 증가시킬 수 있다. S239D/I332E (2X) 와 S239D/ I332E/A330L (3X)의 변형체도 FcgRIIIA에 대한 친화성을 현저히 증가시켰고 시험관과 생체 내에서 ADCC 의 기능을 향상시킨다고 보고되었다. 효모에서의 발현을 통해 동정된 Fc 변형체는 FcgRIIIA에 대한 친화성을 증가시켜 이종이식된 생쥐에서 종양 세포의 제거를 향상시켰다. 이렇게 엔지니어된 Fc 변형체들은 2 개의 Fc 체인의 동일한 포지션에서 동일한 돌연변이가 존재하는 동형이합체인 IgG 분자를 형성한다. Fc/ FcgRIIIA 결합체의 결정 구조에 대한 분석은 이러한 접근이 가장 최상의 방법이 아닐 수 있음을 제안하고 있다.

다양한 구조적 연구들은 인간 IgG1의 Fc 부위와 FcgRIIIA의 상호작용이 비대칭적임을 보여주고 있다. 즉, FcgRIII가 2 개의 Fc 폴리펩타이드 체인의 서로 다른 아미노산 잔기들과 상호작용함을 보여주고 있다. 따라서 단백질 엔지니어링의 측면에서 FcgRIIIA와 IgG1의 Fc 부위의 상호작용을 최대한 향상시키는 이상적인 방법은 서로 다른 돌연변이를 이용하여 각각의 Fc 체인에서 FcgRIIIA와의 부착 공간을 최적화시키는 것이다. 이러한 비대칭 엔지니어링 접근법은 전통적인 동일이합체 IgG와 관련된 몇 가지 이슈들을 해결하는데 도움이 된다. 예를 들어 S239D/I332E (2X) 와 S239D/I332E/A330L (3X) 변형체는 Fc 양쪽에서 CH2 도메인의 안정성을 감소시킨다. 높은 친화성을 갖고 있는 Fc 변형체인 S239D/I332E/A330L (3X)의 경우, 억제 FcgRIIB에 대한 부착력이 증가되어 있다. 양쪽 Fc 체인에서 서로 다른 돌연변이를 이용한 비대칭 접근법은 FcgRIIA 와 FcgRIIIA로부터 FcgRIIB를 구별하는 것을 가능하게 함으로 더 나은 항-종양 작용을 유도할 수 있을 것이다.

Fc:FcgR 상호작용의 비대칭적인 특성을 조사하기 위해 연구팀은 낮은 힌지 (hinge) 부위와 CH2 도메인에서 용액에 노출된 잔기를 목표로 한 이형이합체 Fc 라이브러리를 만들었다. 연구팀은 고속 대량처리 경쟁 AlphaLISA?? 에세이를 사용하여 9,000 개가 넘는 크론을 스크린했다. 연구팀은 활성화 FcgRIIIA에 대한 부착이 향상된 71 개의 단일 돌연변이를 동정했다. 연구팀은 포지션별로 단일 돌연변이를 그룹화하여 이형이합체 IgG1 포맷에서 이러한 돌연변이의 혼합이 시너지 효과를 발휘할 수 있는지를 조사했다.
이러한 목적을 위해 연구팀은 FcgRIIIA (F158 와V158 동종이인자형)에 뛰어난 부착력이 있는 새로운 Fc 변형체를 동정하고 이 변형체가 높은 Fc 안정성을 갖고 종양 세포 사멸 에세이에서 ADCC 기능을 증가시키며 생쥐의 이종이식 종양 모델에서 종양의 성장을 강력하게 억제할 수 있음을 보여주었다. Fc 변형체의 푸코스 제거는 FcgRIIIA에 대한 Fc 친화성을 더욱 증가시켜 더 높은 ADCC 작용을 유도했다. 새로운 Fc 변형체들은 FcgRIIB가 아닌 FcgRIIA에 대해 더 높은 부착력을 보였다. 이러한 Fc 변형체들은 암과 감염성 질환들의 치료를 위한 향상된 ADCC 기능을 갖고 있는 차세대 치료 항체들을 개발하는데 응용될 수 있을 것으로 전망된다.

(그림 설명) Fc 체인 [왼쪽 체인 (B) 와 오른쪽 체인 (A)] 과 FcgRIII 간의 상호작용을 Fc-FcgRIIIB 복합체의 X 레이 결정 구조를 기반으로 재구성한 그림. B 체인에서 A330는 FcgRIII의 수용체 잔기 188의 4 A 내에 있고 I332는 FcgRIII의 K161에 근접해 있다. S239 와 S298는 짝을 이루지 않고 있다. A 체인에서 S239는 FcgRIII의 K120 과 상호작용하고 S298은 FcgRIII의 Y132에 근접해 있고 A330 는 짝을 이루지 않으며 I332는 FcgRIII의 잔기들로 부터 떨어져 있다. Fc 체인의 접촉 잔기들은 밑줄이 그어져 있다.


출처 : http://www.jbc.org/content/early/2013/12/05/jbc.M113.513366.abstract?sid=e58b3d32-3def-4301-a2ab-06b389061795 / KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2013-12-18

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