バイテク作物の新しいたんぱく質に対するアレルギー反応の可能性評価――開発企業や規制当局には困難な課題/Assessing the Possibility of Allergic Reactions to New Proteins in Biotech Crops Poses a Difficult Challenge for Industry and Regulators

現代バイオテクノロジーは、植物育種家に多様な生物に由来する潜在的に有用な形質(遺伝子)を利用する道を開いた。遺伝子導入方法を用いて得られた経験から、遺伝子は新しい宿主において予想通りに機能するということが示されており、従って現代バイオ技術を用いることによって特有のリスクが生じることはない。ある遺伝子の発現産物は通常たんぱく質であり、バイテク食品中のそういった新しいたんぱく質の安全性は、安全性評価の重要な要素の1つである。Codex委員会バイオテクノロジー応用食品特別部会は、新しいたんぱく質のアレルギー誘発性評価の指針を作成した。しかしながら、その評価に根拠を与える科学はしばしばいくつにも解釈でき、その結果規制上の要件がさまざまに異なる。さらに、その評価のいくつかの側面に見られる不確実性によって食用作物に導入できる遺伝子に制限が設けられている。

 Modern biotechnology opened a door for plant breeders giving them access to potentially useful traits (genes) derived from a variety of organisms. Experience using gene transfer methods has shown that genes function as expected in new hosts and there are no unique risks from the use of the newer techniques. Expression product of a gene is usually a protein, and the safety of such new proteins in biotech foods is an important element of food safety assessment. The Codex Task Force on Biotechnology developed guidance for assessing potential allergenicity of new proteins. However, the science that underpins the assessment is often equivocal and as a result regulatory requirements vary. Further, uncertainty in some aspects of the assessment has placed limitations on the genes that can be introduced into food crops.

 食物アレルギーは全人口のほんの一部(1-2%)にしか影響を及ぼさないが、食品に対する反応は呼吸困難や死に至るほど重篤なものもある。アレルギー反応を引き起こす食品中の物質は通常、たんぱく質である。とはいっても食品は多くのたんぱく質から構成されており、そのほとんどはアレルギー反応に関与していない。現代バイオテクノロジーの遺伝子導入法は、導入遺伝子の発現を通して食品中にたんぱく質を取り入れる。食品中の新しいたんぱく質がアレルギー反応を誘発する可能性があるかどうかの評価は、食品安全性評価の重要な要素の1つである。

 新しいたんぱく質がアレルギーを誘発するかどうかを予測できる検査は、1つとしてない。そこで現在の指針は「証拠の重さ」というアプローチを推奨している。そのアプローチでは、新しいたんぱく質がアレルギー反応を引き起こすと知られているものに由来するのか否か、またそのたんぱく質がアレルゲンとして知られる特有な構造あるいは物理化学的性質を有しているかどうかが検討される。拒絶反応を引き起こすと報告されている食品は数多くある。しかし、食物アレルギー反応の90%以上は、牛乳、卵、落花生、ナッツ、ダイズ、魚、甲殻綱類など一握りの一般的な食品に端を発することが十分に裏付けられている。従って、もととなる遺伝子がどこから採られているかは重要である。

 仮にあるたんぱく質がアレルギー反応を引き起こすと知られるものに由来するとしよう。そこで重要となるのは、そのたんぱく質がそのもととなるものに由来するアレルギー誘発性たんぱく質かどうか判断することだ。ある食品中の数種のたんぱく質がアレルギー反応に関与していることが分かっているとしても、その食品を構成する大部分のたんぱく質はアレルゲンではない。それは、健全な科学的検査によって明らかにできる。

 食物アレルギー反応を経験した個人は、IgEという物質をその個人の免疫系の中に作り出す。それは、その反応を起こした食物に対して特異的に働く。その特定のIgEを含む患者の血清と新しいたんぱく質との間の交差反応性検査によって、その新しいたんぱく質がアレルゲンであり得るか否かはっきりさせることができる。この方法は、ブラジルナッツ(一般にアレルギーを起こすと知られる木の実)の遺伝子がダイズに導入(その目的は家畜飼料のたんぱく質栄養価を高めることにあった)されたケースではっきりと証明された。

 Nebraska大学のSteve Taylor博士と同僚たちは、ダイズに導入されたブラジルナッツ由来のたんぱく質が、ブラジルナッツにアレルギーを持つ個人から採られた血清と交差反応したことを明らかにした。ブラジルナッツにアレルギーを持つボランティアに対する皮膚プリックテストで、ダイズ中の新しいたんぱく質がアレルゲンであることが確認された。ダイズのその新品種の開発は打ち切られたが、結果は科学的アプローチが有効であることを裏付けている。

 アレルギー反応を引き起こすといった報告のないたんぱく質(例えば、細菌やウイルスたんぱく質)については、ことはもっと複雑である。その方法には、そのたんぱく質のアミノ酸構造とアレルゲンとして知られるたんぱく質の構造を比較すること、さらにアレルギー誘発性たんぱく質に特有な数々の要因を考慮に入れることなどがある。アレルギー誘発性たんぱく質は通常、酵素分解、酸や熱による処理に安定性を示し、たんぱく質表面に糖類(グリコシル化)を含む。しかし、こういった特徴には例外がある。例えば、リンゴやナシ、プラムのような果物のアレルギー誘発性たんぱく質はすぐに分解されるが、このことは、果物に対するアレルギー反応は、よく起こることであるが、普通口腔に限られており、呼吸困難やアナフィラキシーといった重篤な状態に進展することはないという事実の説明となり得る。

 たんぱく質の構造比較とは、その問題となるたんぱく質のアミノ酸の全配列と確立されたデータベースを使ってアレルゲンとして知られるたんぱく質のアミノ酸配列とを分析することである。検索には、新しいたんぱく質の80個の連続するアミノ酸配列とたんぱく質データベースを比較するという保守的アプローチが採られている。アレルゲンと知られるものに対してその相似性が35%以下のたんぱく質は、アレルゲンと密接に関係があるとは見なされない。この分析方法は比較的単純明快であり、新しいたんぱく質が遺伝子導入の候補となり得るか否かを判断するとき、通常、開発企業は情報科学による検索を行う。

 さて、話をイエダニに転じよう。食物に加え多くの物質がアレルギー反応を引き起こす。日本の人々は春になると、木の花粉によるアレルギー症状に悩まされる。アレルギー反応は、アレルギーを誘発する食品を摂取することによって生じるのと同様に吸入や皮膚暴露によっても引き起こされる。アレルギー反応を引き起こすたんぱく質は、敏感な人の免疫系のIgE分子と結合する小さな領域をそのたんぱく質配列中に有している。これら小さなペプチド領域は、あるたんぱく質がアレルゲン性を潜在的に持つかどうかを判断する有用な指標と言ってもいいだろう。ただし、科学的データが確定に至るまでにはほど遠い。とはいえ、Codex委員会のガイドラインは、アレルギーを誘発すると知られるたんぱく質中に見いだされるのと似た小さな領域があるか否か、新しいたんぱく質についてそのたんぱく質配列を分析せよと勧めている。

 小さなセグメント分析を巡る議論は、台湾の規制当局によって下された決定によって例証できよう。台湾政府は、Btコーンの新品種中のCry1F たんぱく質に関して血清テストを義務化した。Cry1F たんぱく質は、小さなセグメント(6個のアミノ酸あるいは6mer)を持つことが分かっており、それは台湾で一般的なアレルゲンであるイエダニ由来のアレルギー誘発性たんぱく質のセグメントと一致していた。Cry1F たんぱく質は、どの既知のアレルゲンとも構造的な相似性を持たず、酸や熱によって容易に分解され、グリコシル化されることもなく、さらにアレルギーを誘発するものから得られたものでもなかった。「証拠の重さ」方法の下、Cry1F たんぱく質は、米国、カナダ、そしてオーストラリアの規制当局者によって認可されていた。

 しかし、台湾当局は、イエダニは台湾において重要なアレルゲンであると感じ、血清スクリーニングを義務化したのだ。血清テストは米国でHugh Sampson博士 と同僚たちによって行われ、その結果は同分野の専門家たちによって評価された論文において報告された。Cry1F たんぱく質とイエダニにアレルギーである人から採られた血清からは、交差反応は見られなかった。その結果は、Cry1F たんぱく質はアレルゲンではないことを示しており、さらに小さな配列比較からは妥当なデータは得られないという見解をサポートするものでもあった。しかし今なお、この点に関する議論は決着からほど遠い。

 既知のアレルゲンとの相似性を欠くことを、商業的使用が認可されているバイテク作物中の新しいたんぱく質は、はっきりと示している。それら新しいたんぱく質は、容易に分解され、またアレルギーを誘発すると知られるものに由来してもいない。Codex委員会のガイドラインは、潜在的なアレルギー誘発性を評価するその方法を提供した。そしてそれは、この分野における科学の現状と一致するものだ。

 しかし、もっと決定的な情報が得られるまで、大したことはないがしかしアレルゲンとして知られるものといくらか相似性を持つたんぱく質が(特定の血清が入手可能でないと仮定して)、安全性評価を通過するのは難しいであろう。このことは、作物を向上させるために育種家が使えるたんぱく質の種類が限られてしまうことを意味する。将来的な困難を避けるために研究開発の早期において候補となるたんぱく質のアミノ酸配列分析を行うのは、開発企業の利益にかなっている。

 Food allergy affects a fraction of the population (1-2%) but reactions to a food can be severe, even resulting respiratory distress and death. The substance in the food that causes the reaction is usually a protein, though foods are comprised of many proteins that are not involved on allergic reactions. Gene transfer methods of modern biotechnology introduce proteins into the food via expression of the gene. Evaluating whether a new protein in food has the potential to induce allergic reactions is a key element of food safety assessment.

 There is no single test that can predict allergenicity potential for a new protein. Consequently, current guidelines recommend a “weight of evidence” approach that considers whether the protein is derived from a source that is known to produce allergic reactions, taking it into account whether the protein has structural or physical-chemical properties that are typical of known allergens. Many foods have been reported to cause adverse reactions. However, over 90% of food allergic reactions can be traced to a few common foods such as milk, eggs, peanut, tree nuts, soybean, fish, crustaceans, and others. Therefore, it is important to know the source of the gene.

 If a protein is derived from a source that is known to cause allergic reactions, it is important to determine whether the protein is an allergenic protein derived from the source. While several proteins in a food may be found to be involved in allergic reactions, the majority of proteins that make up a food are not allergens. Sound scientific tests are available.

 Individuals who experience food allergic reactions produce a substance, IgE, in their immune system that is specific to the food that caused the reaction. Tests for cross-reactivity between the patients sera that contains the specific IgE and the new protein can establish whether the new protein is a likely allergen. This method was clearly demonstrated in the case where a gene from Brazil nut (a tree nut commonly allergenic) was transferred to soybean (the purpose was to improve the protein quality of animal feed).

 Dr. Steve Taylor and colleagues at the University of Nebraska showed that the protein derived from Brazil nut that had been transferred to soybean cross-reacted with sera from individuals who are allergic to Brazil nut. Skin prick tests on Brazil nut allergic volunteers confirmed that the new protein in the soybean was an allergen. The new variety of soybean was discontinued, but the results show that the scientific approach is valid.

 For proteins for which there is no known history of allergic reactions (e.g. bacterial or viral proteins), the case is more complicated. The approach involves comparison of the amino acid structure of the protein to the structure of known allergens and consideration of other factors typical of allergenic protein. Allergenic proteins are usually stable to enzymatic degradation, or treatment with acid or heat and contain sugar groups on the protein surface (glycosylation). But these characteristics have exceptions. For example, allergenic proteins in fruits such as apple, pears, plums are readily degraded which may account for the fact that allergic reactions to fruits, though common, are usually restricted to the oral cavity and do not normally progress to serious conditions such a respiratory distress or anaphylaxis.

 The structural comparison of proteins examines the overall sequence of amino acids of the subject protein with amino acid sequences of known allergens using established data bases. Searches use a conservative approach comparing 80 amino acid segments of the new protein with the protein data base. Proteins that have less than 35 percent similarity to known allergens are not considered to be closely related to allergens. This analysis is relatively straightforward and developers usually conduct informatics searches when considering whether a new protein is a candidate for gene transfer.

 Now the story shifts to the lowly house dust mite. Many substances in addition to food cause allergic reactions. Japanese suffer from spring allergy due to tree pollen. Allergic reactions include inhalation, dermal exposure, as well as ingested food allergens. The proteins that cause allergic reactions have small regions in the protein sequence that bind to IgE molecules of the immune system of sensitive individuals. These small peptide regions may be useful indicators of potential allergenicity of a protein, though the scientific data is far from settled. Nevertheless, Codex guidelines suggest analyzing proteins sequences on new proteins for small regions that are similar to those found in known allergenic proteins.

 The debate surrounding small segment analyses is illustrated by the decision by regulators in Taiwan to require sera testing on a Cry1F protein in a new variety of B.t. corn that was found to have a small segment (6 amino acids or 6mer) protein that matched a segment of an allergenic protein from dust mite, a common allergen in Taiwan. The protein had no other structural similarity to any known allergen, was readily degraded by acid and heat, was not glycosylated, and was not derived from an allergenic source. Under a weight of evidence approach, the protein had been approved by regulators in the U.S., Canada, and Australia.

 Nevertheless, Taiwanese authorities felt that dust mite was an important allergen in Taiwan and required sera screening. The tests were conducted by Dr. Hugh Sampson and colleagues in the U.S., and the results were reported in a peer-reviewed paper. No cross reaction was found between the Cry1F protein and sera from individuals who were allergic to dust mite. The results indicated that the Cry1F protein is not an allergen, and provide support to the view that small sequence comparisons may not yield relevant data. Still the debate on this point is far from a resolution.

 The new proteins in biotech crops that are authorized for commercial use have been demonstrated to lack similarity to known allergens. They are readily degraded, and are not derived from sources known to be allergenic. The Codex guidelines provide a means to assess potential allergenicity that is consistent with the current state of science in this area.

 However, until more definitive information is available, it may be difficult for proteins that have some similarity to a known minor allergen (assuming specific sera is not available) to pass safety assessment. This will limit the types of proteins that breeders can use to improve crops. It is in the developer’s interest to conduct an amino acid sequence analysis for a candidate protein early in the R&D process to avoid future difficulties.

※このコラムは「FoodScience」(日経BP社)で発表され、同サイト閉鎖後に筆者の了解を得て「FoodWatchJapan」で無償公開しているものです。

About J.H.Maryanski 17 Articles
元FDAバイオテクノロジー安全性専門官 James H. Maryanski 元米国食品医薬品局(FDA)バイオテクノロジー安全性専門官 1965年 Ohio State University卒業。72年 University Of New Hampshire博士号取得、77年FDA入庁、85年FDAバイオテクノロジー・コーディネーター、99年経済協力開発機構(OECD)への米国代表団代表。06年よりJ.H.Maryanski LLC 農業・食品バイオテクノロジーコンサルタント代表。