DS在抗體領(lǐng)域的應(yīng)用

1、抗體設(shè)計與改造抗體分子是生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域用途最為廣泛的蛋白分子。以腫瘤特異性抗原或腫瘤相關(guān)性抗原、抗原獨特型決定簇、細(xì)胞因子及其受體、激素及一些癌基因產(chǎn)物作為靶分子，利用傳統(tǒng)的免疫方法或通過細(xì)胞工程、基因工程等技術(shù)制備的多克隆抗體、單克隆抗體、基因工程抗體廣泛應(yīng)用于疾病診斷、治療及科學(xué)研究等領(lǐng)域，并以其毒副作用小、天然和高度特異性的療效，創(chuàng)造出了巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。Discovery Studio 在抗體設(shè)計領(lǐng)域提供了非常豐富的功能模塊抗體結(jié)構(gòu)構(gòu)建及人源化改造由于抗體的應(yīng)用前景廣泛，導(dǎo)致對其結(jié)構(gòu)信息需求極大。而結(jié)構(gòu)信息對于識別抗原表位、改造抗體親和性來說非常有意義。X-ray是一種研究抗

2、體結(jié)構(gòu)的方法，但抗體結(jié)晶非常困難以及耗時。而通過計算機(jī)的手段相對更快更便宜。Discovery Studio 提供一整套抗體的同源建模的工具。用戶只需要提供抗體氨基酸序列就可以完成抗體可變區(qū)、全長、CDR Loop注釋、建模、模型優(yōu)化及模型結(jié)構(gòu)可信度評估的工作。包括人源化改造抗原表位確定抗原表位又稱抗原決定簇，在目前的生物實驗技術(shù)條件下，單靠試驗方法尋找抗原表位是非常困難的。因此通過計算機(jī)預(yù)測方法已成為表位確認(rèn)的強(qiáng)有力的工具。預(yù)測抗原表位能夠通過蛋白-蛋白對接技術(shù)來實現(xiàn)。在Discovery Studio中，的蛋白-蛋白對接程序是基于經(jīng)典的ZDOCK/RDOCK開發(fā)完成。運用快速的傅立葉變化，

3、根據(jù)抗原、抗體間的形狀匹配搜索結(jié)合構(gòu)象，并獲得包括參與抗體-抗原相互作用氨基酸和相互作用能力強(qiáng)弱等詳細(xì)信息。最后對結(jié)合構(gòu)象進(jìn)行評估、打分、和優(yōu)化。完美的兼顧了計算的速度與精確度?；诜肿觿恿W(xué)方法可以對抗原抗體結(jié)合模式的穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。此外還能通過計算相互作用能研究抗原、抗體的結(jié)合能力?？贵w設(shè)計與改造在對抗體進(jìn)行理性設(shè)計與改造時，可以基于定點突變的技術(shù)去實現(xiàn)。但是由于進(jìn)行氨基酸突變選擇時的盲目性而導(dǎo)致效率低下、成本高昂。虛擬氨基酸突變可以通過虛擬的丙氨酸掃描和飽和突變確定最佳的氨基酸突變組合，從而為實驗中的氨基酸定點突變提供指導(dǎo)，進(jìn)而理性設(shè)計蛋白質(zhì)。Discovery Studio能夠快速

4、高效的對抗體進(jìn)行虛擬的丙氨酸掃描和飽和突變，或者其它任意突變，并在考慮溫度、pH的條件下預(yù)測抗體熱穩(wěn)性及抗體-抗原和力這兩種突變效應(yīng)，方便用戶在實驗前測試大量的突變位點并優(yōu)先選擇突變位點，是強(qiáng)有力的抗體設(shè)計工具。此外還提供了預(yù)測抗體聚集效應(yīng)的功能，能夠衡量衡量抗體表面氨基酸聚集傾向性。具有比較高的聚集趨勢得分的位點表明了該區(qū)域的氨基酸傾向于發(fā)生聚集。因此這些位點的預(yù)測，使得我們可以通過氨基酸定點突變的方法來改造蛋白，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。案例分析一、利用同源建模和相互所用能計算研究抗體專一性1作者通過DS_MODELER對合征布尼亞病毒SFVS virus（Severe fever with thro

5、mbocytopenia syndrome bunyavirus）的抗原蛋白進(jìn)行同源建模，并利用DS_CDOCKER與抗體小分子對接，發(fā)現(xiàn)了三個區(qū)域（圖1）可能是其抗原表位，接著采用定點突變的方法對這三個區(qū)域進(jìn)行了驗證。（表1）圖1實驗思路示意圖圖2 抗原表面區(qū)域預(yù)測。其中黃色部分為可能的抗原表面區(qū)域AntibodiesWTNNSN10C5S9A*R. Poly+-+H2A12e+-+H2A4e+-+H2E4e+-+H2H9e+-+H1C2e+-+表1 部分通過定點突變驗證同源模型實驗結(jié)果案例分析二、利用分子模擬技術(shù)輔助鼠源抗體的人源化改造2（多年的研究表明，鼠源性抗體在人體可誘發(fā)人抗鼠抗體反

6、應(yīng)，在臨床應(yīng)用一般效果不佳。研制人源化抗體可以降低抗體藥物在人體的免疫原性；與鼠源性抗體相比，還可提高效應(yīng)功能。）(人源化抗體：指抗體的恒定區(qū)部分或抗體所有全部由人類抗體基因所編碼，含嵌合抗體、改型抗體和表面重塑抗體)（圖3）圖3 人源化抗體示意圖（其中抗體表面重塑技術(shù)的原則就是將非人源單抗體可變區(qū)（Fv）表面非人源的殘基替換為人源性的氨基酸殘基，使抗體Fv區(qū)的表面人源化，降低其免疫原性，同時不影響Fv區(qū)的整體空間結(jié)構(gòu)。）思路：本文應(yīng)用分子模擬技術(shù)輔助抗體表面重塑，研究對象為鼠源單克隆抗體m357，它能夠和人體腫瘤壞死因子作用，起到抗腫瘤的作用，首先應(yīng)用DS_MODELER模建了m357可變區(qū)

7、的三維結(jié)構(gòu)（圖4），并應(yīng)用DS_CHARMm進(jìn)行能量優(yōu)化，計算表面殘基的溶劑可極化表面積，識別活性殘基，通過序列比對預(yù)測框架區(qū)保守及非保守殘基，并利用實驗方法將非保守殘基人源化，得到的單克隆抗體h357，經(jīng)多種方法進(jìn)行生物活性測定，其完全保留了鼠源抗體的活性，臨床研究正在進(jìn)行。圖4 DS_MODELER 模擬m357可變區(qū)(Fv)三維結(jié)構(gòu) 紅色部分為互補決定區(qū)(CDRs)案例分析三、抗HIV-1抗體片段m36抗原表位的分析3m36是已報道的人類首個抗型人免疫缺陷病毒（HIV-1，艾滋病的主要病原體）的抗體片段，包含了抗體中的一個重鏈可變域（VH），它能夠強(qiáng)力地綁定到不同的HIV-1 Env蛋白

8、，阻止HIV菌株的感染，是有效的HIV-1進(jìn)入抑制劑。思路：本文基于Discovery Studio3.5，首先采用同源建模技術(shù)（DS_MODELER）預(yù)測了m36的三維結(jié)構(gòu)并加以評估，然后采用蛋白對接技術(shù)（DS_ZDOCK/RDOCK）預(yù)測了m36同gp120蛋白的相互作用，從而識別出gp120中的抗原表位，最后基于預(yù)測結(jié)果對gp120進(jìn)行了丙氨酸掃描定點突變實驗，最終確認(rèn)了6個關(guān)鍵的抗原表位，解釋了m36具有抑制HIV-1感染活性的作用機(jī)制。圖5 m36同源模型圖6 gp120中m36的抗原表位（ZDOCK對接結(jié)果）案例分析四：抗二唾液酸神經(jīng)節(jié)苷脂（GD2）單克隆抗體的設(shè)計4GD2（二唾液

9、酸神經(jīng)節(jié)苷脂）是一種特異的糖脂抗原，在小兒神經(jīng)細(xì)胞瘤發(fā)生時，其表達(dá)量會迅速升高。3F8是第一個發(fā)現(xiàn)的抗GD2單克隆抗體，并且對GD2有中等的活性，可以有效的抑制小兒神經(jīng)細(xì)胞瘤的發(fā)生。思路：本文利用分子對接程序CDOCKER，確定了抗體3F8和GD2的相互作用模式，并確定了對于它們結(jié)合起著關(guān)鍵作用的12個氨基酸殘基（圖7）。然后利用Calculate Mutation Energy模塊，將12個氨基酸進(jìn)行虛擬飽和突變。飽和突變結(jié)果表明，當(dāng)H：GLY54突變?yōu)镮LE時，突變能下降的最多（圖8），其主要原因是可以增加范德華的相互作用。作者隨后利用Spatial Aggregation Propens

10、ity算法進(jìn)行突變前后抗體聚集位點的對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)GLY54突變?yōu)镮LE后（圖9），抗體的聚集位點的疏水性明顯增大，并且更有利和GD2的結(jié)合。作者最后把設(shè)計好的抗體hu3F8進(jìn)行生物學(xué)的實驗，實驗表明：改造后的抗體hu3F8的抗GD2的IC50值提高了6-9倍。圖7 分子對接結(jié)果分析圖8 虛擬氨基酸突變圖9 抗體聚集位點的預(yù)測參考文獻(xiàn)1 M. J. Ayub，B. Nyambega，L. Simonetti，et alSelective blockade of trypanosomatid protein synthesis by a recombinant antibody anti-Tr

11、ypanosoma cruzi P2beta proteinPlos One2012，7(5):e362332 K. Fan，B. Zhang，H. Yang，et alA humanized anti-osteopontin antibody protects from Concanavalin A induced-liver injury in miceEuropean journal of pharmacology2011，657(1-3):144-1513 C. Wan，J. Sun，W. Chen，et alEpitope mapping of M36, a human antibody domain with potent and broad HIV-1 inhibitory activityPlos