ストレプトアビジン

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ストレプトアビジン（SA）は、Streptomyces avidiniiの56kDaホモ四量体であり、K_d~10^-14 Mで4つのビオチン分子に結合することができます。このタンパク質は高い熱安定性を持ち（アポ-SAのTm: 73°C、ビオチン-SAのTm: 112°C）、pH、変性剤、酵素的分解などの多くの過酷な条件に耐性があります。ストレプトアビジンのホモログは、真菌、細菌、カエル、鶏などの生物から同定されています。この分子は変異に耐えることができるため、工学研究の良いプラットフォームとして機能します。現在、多くのストレプトアビジン変異体が文献で報告されており、変異には鶏由来のアビジンの糖鎖パターンを予測可能に変える単一残基置換、金属有機化学応用のための新しいホスト-ゲストシステムの合理的設計、大規模なタンパク質工学研究などが含まれます。多くの研究が、ストレプトアビジン-ビオチン相互作用とその応用に対する科学者の研究関心を証明しています。要するに、化学的および酵素的ビオチニル化技術の改善と新たに設計されたストレプトアビジン変異体は、科学的進歩と技術的発展において重要な役割を果たしています。

図1. 単価ストレプトアビジンの構造 (Zhang, M.; et al. 2016)

ストレプトアビジンベースの酵素

ストレプトアビジンは、堅牢な構造を持ち、広範なアミノ酸置換に耐えることができるため、新しい酵素を構築するための強力なプラットフォームです。エンジニアリングされた加水分解酵素活性は、ビオチン親和性精製タグを切断するために使用できます。ビオチンの結合は、反応性成分を望ましい空間的配向でリクルートし維持するために使用できるため、酵素能力の工学に特に有用です。ビオチニル化された無機補因子を結合ポケットに固定することにより、さまざまな金属酵素がストレプトアビジンの足場上で成功裏に設計されています。研究では、固定金属中心を含むハイブリッドストレプトアビジン触媒が報告されており、指向進化のような強力なタンパク質工学技術を使用してストレプトアビジンベースの酵素を進化させることができることを示しています。エンジニアリングされたストレプトアビジン酵素は、製薬および産業応用に使用される高価値化学物質の微生物生産を増加させるための細胞経路を作成するために使用できます。人工および天然触媒を使用してモデル生物に合成反応カスケードを導入する能力は、代謝工学におけるストレプトアビジンベースの金属酵素の潜在的な応用を示しています。

プレターゲティング癌治療

ストレプトアビジンとビオチンの相互作用は、癌および遺伝子治療のための薬物送達システムに使用できます。ターゲティングエージェントを実際の薬物から分離する能力により、治療の治療指数を効果的に増加させることができます。たとえば、癌治療では、既知の癌バイオマーカーに対するビオチニル化抗体を使用して放射線標識ストレプトアビジンをリクルートします。ストレプトアビジンを追加する前に、患者から未結合の抗体を除去することにより、癌と正常組織の間の放射線曝露のコントラストをさらに最適化できます。この方法の一連の変種が開発されています。放射性同位体に加えて、腫瘍に送達される貨物には、化学療法薬を含むリポソームも含まれる可能性があります。しかし、ストレプトアビジンに基づく薬物ターゲティングシステムには、ストレプトアビジンの免疫原性の課題が依然として存在します。現在、ストレプトアビジンの免疫原性を低下させる変異に関する研究が行われています。

図2. ストレプトアビジンベースの標的薬物送達戦略 (Dundas, C.M.; et al. 2013)

ストレプトアビジンベースのセンサー

ストレプトアビジンは、高いビオチン親和性により、新しいセンサーの開発に強力なツールです。最近の研究では、ストレプトアビジンの3つの結合部位に同時に結合できるトリスビオチニル化オリゴヌクレオチド（いわゆる「スパイダー」）が報告されています。設計された分子は、wt四量体から単価ストレプトアビジンを構築するために使用できるため、この研究は多くの注目を集めています。その結合部位は高いビオチン親和性を保持しているため、複合体は高親和性の単価ビオチン結合を必要とするさまざまなアプリケーションに使用できます。興味深いことに、スパイダー配列に相補的な一本鎖DNAを追加すると、結合されたビオチンの1つの解離が誘導されることが示されており、これはホースラディッシュペルオキシダーゼ結合ストレプトアビジンを使用したELISAで検出できます。単一のミスマッチはビオチンの解離速度を低下させ、複合体が特定の配列オリゴヌクレオチドを検出するセンサーとして使用できることを示しています。現在、ビオチンと結合する必要のない他のセンサーも報告されており、これらはストレプトアビジンを一般的な受容体として使用してエンジニアリングされたリガンドに結合します。