構造誘導的アプローチによるAAVキャプシドの抗原性とトロピズムの共進化

Co-evolution of AAV capsid antigenicity and tropism through a structure-guided approach.

• L Patrick Havlik
• Katherine E Simon
• J Kennon Smith
• Kelli A Klinc
• Longping V Tse
• Daniel K Oh
• Marco M Fanous
• Rita M Meganck
• Mario Mietzsch
• Mavis Agbandje-McKenna
• Aravind Asokan

抄録

アデノ随伴ウイルス（AAV）は、非発現の正20面体タンパク質シェルから構成されており、組換え治療用のDNAをパッケージ化して送達するように適合させることができる。遺伝子治療アプリケーションのための組換えカプシドを設計するためのアプローチは、1つまたは2つの望ましい属性に対処できる合理的な設計またはライブラリベースのアプローチに焦点を当ててきましたが、AAVベクターの特性を包括的に改善する必要があります。そのためには、配列データだけでは実現できず、AAVカプシドの3次元構造特性を活用する必要がある。本研究では、天然AAV単離株と抗体との複合体の構造を低温電子顕微鏡を用いて解明し、この構造情報を利用して、異なる抗原性フットプリントの飽和突然変異誘発によるAAVキャプシドライブラリの作製を行った。各表面ループは、ヘルパーアデノウイルスの存在下で感染サイクルを繰り返すことで進化し、次の表面ループを進化させるためのテンプレートとして機能する新しいAAVバリアントを生み出しました。このステップワイズプロセスにより、ヒト化AAV8キャプシド（AAVhum.8）は、非天然の表面ループを表示し、ヒト肝細胞へのトロピズム、遺伝子導入効率の向上、抗体忌避の中和を同時に表示します。具体的には、AAVhum.8は、AAV8と比較して、複数種の中和抗原をうまく回避することができます。さらに、AAVhum.8は、ヒト肝移植マウスモデルにおいて、マウス肝細胞とヒト肝細胞の両方のトロピズムを拡大した頑健なトランスフェクションを示しました。本研究は、臨床遺伝子治療のための合理的デザインとライブラリベースの進化を組み合わせることで、AAVキャプシド抗体の回避やトロピズムなどの重要な特性を共進化させることが可能であるという仮説を支持するものである。組換えAAVベクターを用いた臨床遺伝子治療は、これまで天然のカプシド単離株に大きく依存してきた。AAVの組織トロピズム、導入効率、抗体忌避を総合的に改善する必要があるが、キャピシド単離株を利用しても実現できない。そのためには、キャプシドの配列データだけでは達成できず、AAVキャプシドの3次元構造特性を利用する必要があります。本研究では、合理的な設計とライブラリベースの進化を組み合わせ、3次元構造情報を利用して複数の望ましい特性をAAVに共進化させることを目指しています。

Adeno-associated viruses (AAV) are composed of non-enveloped, icosahedral protein shells that can be adapted to package and deliver recombinant therapeutic DNA. Approaches to engineer recombinant capsids for gene therapy applications have focused on rational design or library-based approaches that can address one or two desirable attributes; however, there is an unmet need to comprehensively improve AAV vector properties. Such cannot be achieved by utilizing sequence data alone, but requires harnessing the 3D structural properties of AAV capsids. Here, we solve the structures of a natural AAV isolate complexed with antibodies using cryo-electron microscopy and harness this structural information to engineer AAV capsid libraries through saturation mutagenesis of different antigenic footprints. Each surface loop was evolved by infectious cycling in the presence of a helper Adenovirus to yield a new AAV variant that then serves as a template for evolving the next surface loop. This stepwise process yielded a humanized AAV8 capsid (AAVhum.8) displaying non-natural surface loops that displays simultaneously tropism for human hepatocytes, increased gene transfer efficiency and neutralizing antibody evasion. Specifically, AAVhum.8 can better evade neutralizing antisera from multiple species compared to AAV8. Further, AAVhum.8 displays robust transduction in a human liver xenograft mouse model with expanded tropism for both murine and human hepatocytes. This work supports the hypothesis that critical properties such as AAV capsid antibody evasion and tropism can be co-evolved by combining rational design and library-based evolution for clinical gene therapy. Clinical gene therapy with recombinant AAV vectors has largely relied on natural capsid isolates. There is an unmet need to comprehensively improve AAV tissue tropism, transduction efficiency and antibody evasion. Such cannot be achieved by utilizing capsid sequence data alone, but requires harnessing the 3D structural properties of AAV capsids. Here, we combine rational design and library-based evolution to co-evolve multiple, desirable properties onto AAV by harnessing 3D structural information.

Copyright © 2020 Havlik et al.