ナノ生命科学研究所のキイシヤン・リン特任助教と大学院新学術創成研究科ナノ生命科学専攻博士後期課程の西出梧朗さん，エルマ・サキナトゥス・サジダさん，医薬保健研究域医学系／ナノ生命科学研究所の山野友義准教授，ナノ生命科学研究所の安藤敏夫特別功績教授，華山力成教授，ナノ生命科学研究所／新学術創成研究機構のリチャード・ウォング教授らの共同研究において，高速原子間力顕微鏡（高速AFM）（※1）を用い，SARS-CoV-2スパイクタンパク質とその中和抗体（※2）の相互作用をリアルタイムかつ3Dで捉えることに世界で初めて成功しました。
SARS-CoV-2（新型コロナウイルス）は，ウイルス表面のスパイクタンパク質をヒト細胞表面のアンジオテンシン変換酵素2（ACE2）に結合させることにより，細胞内への侵入を開始します。現在国内でも接種が実施されている新型コロナワクチンは，この機構を利用してウイルスの体内侵入を抑制するものです。ワクチンを接種することで，私たちの体にはスパイクタンパク質に対する中和抗体が作られ，この中和抗体がスパイクタンパク質に結合してウイルスがACE2に結合することを防ぎ，ウイルス感染を抑制します。また，この中和抗体自体をCOVID-19患者へ注入する中和抗体療法も，重症化を防ぐ手段として用いられています。ゆえに，中和抗体がどのようにスパイクタンパク質に結合するのか，またどのような環境でその結合が増強，あるいは弱くなるのかを明らかにすることは大変重要です。しかし，中和抗体は15ナノメートル前後と非常に小さいため，その動態を直接リアルタイムで捉えることは困難でした。
本研究では高速AFMを用いることにより，中和抗体がスパイクタンパク質に結合する様子をナノレベル，リアルタイムかつ3Dで捉えることに成功しました。これまでにリン特任助教らは，スパイクタンパク質が細胞内の環境変化に合わせ，効率よく細胞内に侵入するために構造変化を起こすことを見出していましたが，本研究ではさらに抗体が結合することによりこれらの構造変化が起こらなくなることを明らかにしました。高速AFMが SARS-CoV-2のみならず，さまざまなウイルスに対する中和抗体の作用機序を評価できる強力なツールであることが示されたと言えます。こうした成果は，高い時空間分解能（ナノ秒，ミリ秒レベル）で，定性的，定量的なデータを提供することができる高速AFMでの計測によって，初めて得られたものであり，将来，さまざまなナノ生体材料の評価ツールとして活用されることが期待されます。
本研究成果は，2023年1月15日（米国東部時間）に国際学術誌『Nano Letters』にオンライン掲載されました。
© 2023 Lim, et al., Nano Letters
図1：高速AFMによる動的な中和抗体―スパイクタンパク質の相互作用の可視化
（上段）MM43がスパイクタンパク質の受容体結合ドメイン（RBD）にリアルタイムで結合している様子。（下段）中和抗体とスパイクタンパク質の分子構造のシミュレーション画像により，相互作用の方向を示している（scale bar，25 nm）。
図2：中和抗体－スパイクタンパク質相互作用のナノスコープ観察により，中和抗体の治療適用評価が高精度に可能となる。
1）2）高速AFMを用いたMM43のナノスケール観察により，MM43の本来の構造 1）とオリゴマー化といった固有の性質 2）が明らかとなった。
3）高い時空間分解能により，高速AFMはMM43とスパイクタンパク質の動的な相互作用とその結合パターンを捉えることができる。
4）中性または酸性 pH におけるMM43とスパイクタンパク質複合体のコンフォメーションを直接可視化することで，RBD の「閉」－「開」遷移，S1 サブユニットの脱落，抗体の脱落などADEに関連する重要な情報が得られる。
5）スパイクタンパク質発現細胞外小胞は，MM43 や SARS-CoV-2 相互作用のナノレベルにおける追跡を行う上で安全な代替物質である。スパイクタンパク質発現細胞外小胞のトポロジーと細胞外小胞表面のスパイクタンパク質の動的な動きは，SARS-CoV-2ウイルスに類似している。
図3：高速AFMが治療に適用可能な中和抗体のナノレベルでの評価に役立つ。
(1) COVID-19から回復した患者は，SARS-CoV-2に対する免疫を獲得している。
(2) 抗原特異的B細胞のハイスループットスクリーニングを行う。
(3) 中和抗体を分離し，その治療効果をさらに評価する。
(4) 高速AFMを用いたこれらの候補のナノスケール評価は，より良い中和抗体を選択するために不可欠な情報を提供できる。
(5) 選択された中和抗体は，その治療効果を検証するために，下流のin vitroおよびin vivo実験ならびに臨床試験に使用される。
【用語解説】
※１：高速原子間力顕微鏡（高速AFM）
探針と試料の間に働く原子間力を基に分子の形状をナノメートル（10-9 m）程度の高い空間分解能で可視化する顕微鏡。高速AFMは溶液中で動いているタンパク質などの生体分子をナノメートルの空間分解能とサブ秒という時間分解能で観察することが可能。
※２：中和抗体
SARS-CoV-2は，ウイルスの表面にあるスパイクタンパク質がヒトの細胞膜上のACE2タンパク質と結合する事をきっかけに細胞への侵入を開始する。SARS-CoV-2のスパイクタンパク質に結合し，ACE2との結合を阻害する作用を持つ抗体は「中和抗体」と呼ばれる。デルタ株やオミクロン株などでは，スパイクタンパク質に変異を入れることで，中和抗体から逃れようとする。
掲載ジャーナル：Nano Letters
研究者情報：キイシヤン・リン
研究者情報：山野 友義
研究者情報：安藤 敏夫
研究者情報：華山 力成
研究者情報：リチャード・ウォング
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